Culturas energéticas: produção de biomassa e bioenergia. · bioenergia. Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia do Ambiente Autor Ana Luísa

DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA MECÂNICA

Culturas energéticas: produção de biomassa e bioenergia. Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia do Ambiente

Autor

Ana Luísa Diogo Ferreira

Orientadores

Professor Doutor Domingos Xavier Filomeno Carlos Viegas Doutora Valéria Reva

Júri

Presidente Professor Doutor Ricardo António Lopes Mendes, Professor da

Universidade de Coimbra

Vogais Professor Doutor António Manuel Mendes Raimundo, Professor da

Universidade de Coimbra

Doutora Valéria Reva, Investigadora da ADAI/UC

Associação para o Desenvolvimento da Aerodinâmica Industrial

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Coimbra, Julho, 2015

Agradecimentos

Ana Luísa Diogo Ferreira iii

Agradecimentos

Uma dissertação de mestrado é um trabalho individual, no entanto, apenas é

possível com a colaboração de várias pessoas.

Ao Professor Doutor Domingos Xavier Filomeno Carlos Viegas e à Doutora

Valéria Reva pela disponibilidade demonstrada em orientar esta dissertação de mestrado.

Um agradecimento especial à Doutora Valeria Reva por todo o auxílio concedido e

acompanhamento ao longo destes meses.

Uma palavra de agradecimento também ao Professor Abílio José F. N. Sobral,

Departamento de Química, UC, e ao Doutor Pedro S. Pereira Silva, Departamento de

Física, UC, pelo apoio dado na realização dos testes XRF.

Aos meus amigos que me foram incentivando nos momentos mais difíceis, em

especial ao Bruno, Carolina e Sofia por todo o apoio prestado na etapa final.

Aos meus pais e irmã pela compreensão, paciência e apoio que sempre

prestaram estando sempre disponíveis para me ouvirem.

Culturas energéticas: Produção de biomassa e bioenergia

iv 2015

Resumo

Ana Luísa Diogo Ferreira v

Resumo

Nas últimas décadas tem-se verificado uma crescente preocupação a nível

ambiental, tanto no que se refere aos gases de efeito de estufa, como à necessidade de

reduzir o uso de combustíveis fosseis. A energia proveniente da biomassa é uma alternativa

vantajosa pelo que, neste estudo, é feita uma abordagem a uma das possíveis fontes de

biomassa: as culturas energéticas.

O objetivo geral deste trabalho é um estudo aprofundado do conceito das

culturas energéticas, da sua produção na Europa e a nível mundial visando a aplicação da

experiência existente em Portugal. As culturas energéticas lenhosas usadas como

biocombustível na combustão direta são o objeto do estudo. O objetivo particular é

determinar o potencial energético e caracterizar os resíduos provenientes da combustão

(cinzas) para três espécies lenhosas a ser instaladas em Portugal com o perfil de culturas

energéticas: choupo, eucalipto e acácia. As amostras de pellets e biomassa residual florestal

de eucalipto são consideradas como referência para a análise do processo de combustão e

formação de cinzas.

Para atingir os objetivos foi feita uma exaustiva revisão bibliográfica

abrangendo as questões de classificação e cultivo de culturas energéticas e de processos de

conversão de biomassa para bioenergia. Os ensaios de combustão direta foram realizados

no calorímetro cónico e, para a avaliação química das cinzas, recorreu-se a análise de

fluorescência de raios X (XRF).

Observou-se um comportamento distinto entre as espécies estudadas no

decorrer da combustão e na quantidade e qualidade de cinzas resultantes do processo.

Maior quantidade de material lenhoso e maior densificação na biomassa, contribuíram para

o potencial energético das espécies. Verificou-se também que as amostras de espécies com

maior quantidade de material lenhoso (pellets e choupo) contêm menor teor de elementos

químicos responsáveis pela formação de cinzas e, por conseguinte, menor quantidade de

cinza. As amostras de espécies com presença de resíduos de folhagem (biomassa residual

florestal, eucalipto e acácia-mimosa) apresentam maior quantidade de elementos químicos

responsáveis pela formação de cinzas, dando origem a uma maior quantidade das mesmas.

Palavras-chave: Biomassa, Culturas energéticas, Choupo, Eucalipto, Acácia.


vi 2015

Abstract

Ana Luísa Diogo Ferreira vii

Abstract

In recent decades there has been a growing environmental concern, with regard to

greenhouse gases as well as the need to reduce the use of fossil fuels. Energy from biomass

is an advantageous alternative and therefore, in this study, an approach is made to one of

the possible sources of biomass: energy crops.

The overall objective of this study is an in-depth study of the concept of energy

crops, of its production in Europe and worldwide, aimed at the implementation of the

existing experience in Portugal. The woody energy crops used as biofuel in direct

combustion are the subject of the study.

The aim of this paper is to provide an in-depth study of the concept of energy crops,

its production in Europe and worldwide, aimed at the implementation of the existing

experience in Portugal. The woody energy crops used as biofuel in direct combustion are

the main goal of the study. The particular goal is to determine the energy potential and

characterize the wastes from the combustion (ashes) for three woody species to be installed

in Portugal with the profile of energy crops: poplar, eucalyptus and acacia. Samples of

pellets and of residual forest biomass from eucalyptus are considered as a reference for the

analysis of the combustion process and ashes formation.

In order to achieve the aims of this paper, an exhaustive literature review was made,

covering the issues of classification and cultivation of energy crops, as well as biomass

conversion processes for bioenergy. Direct combustion trials were performed in a conical

calorimeter and, for the chemical evaluation of the ashes, the x-ray fluorescence analysis

(XRF) was used.

There was a distinct behaviour between the species studied in the course of

combustion and also in the quantity and quality of the ashes resulting from the process. A

higher amount of woody material and a higher biomass densification contributed to the

energy potential of the species. It was also found that the samples of species with a larger

amount of woody material (pellets and poplar) contain less content of chemical elements

responsible for the formation of ashes and, consequently, a lesser amount of ash. Samples

of species with the presence of foliage waste (residual forest biomass, eucalyptus and


viii 2015

acacia) show a higher amount of chemical elements responsible for the formation of ashes,

resulting in a greater amount of these.

Keywords Biomass, Energy crops, Poplar, Eucalyptus, Acacia.

Índice de Figuras

Ana Luísa Diogo Ferreira ix

Índice Índice de Figuras ................................................................................................................... x

Índice de Tabelas ................................................................................................................... x

Siglas .................................................................................................................................... xi

1. INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 1 1.1. Enquadramento ........................................................................................................ 1 1.2. Objetivos .................................................................................................................. 3

2. ESTADO DA ARTE ...................................................................................................... 5 2.1. Biomassa .................................................................................................................. 5 2.2. Processos de conversão de biomassa para energia .................................................. 6

2.2.1. Processos de conversão termoquímicos ........................................................... 6 2.2.2. Processos de conversão bioquímicos .............................................................. 11 2.2.3. Impacto ambiental derivado da produção de bioenergia ................................ 12

2.3. Culturas energéticas ............................................................................................... 16 2.3.1. Classificação ................................................................................................... 16 2.3.2. Sistemas de cultivo ......................................................................................... 19 2.3.3. Culturas energéticas no mundo....................................................................... 20 2.3.4. Culturas energéticas em Portugal ................................................................... 22 2.3.5. Vantagens e desvantagens das culturas energéticas ....................................... 23

2.4. Culturas energéticas lignocelulósicas .................................................................... 24 2.4.1. Choupo............................................................................................................ 25 2.4.2. Eucalipto ......................................................................................................... 26 2.4.3. Acácias ............................................................................................................ 29

3. MATERIAIS E METODOS ......................................................................................... 31 3.1. Amostragem........................................................................................................... 31 3.2. Testes no calorímetro cónico ................................................................................. 33 3.3. Determinação da quantidade e composição química das cinzas ........................... 34

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO.................................................................................. 35 4.1. Resultados dos testes no calorímetro cónico ......................................................... 35

4.1.1. Taxa de perda de massa .................................................................................. 35 4.1.2. Taxa de libertação de calor e energia total libertada ...................................... 38

4.2. Resultados dos testes de determinação da quantidade e composição química das

cinzas .............................................................................................................................. 41

5. CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS .............................................................. 51

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 53

ANEXOS ............................................................................................................................. 59


x 2015

Índice de Figuras

Figura 3.1: Amostras recolhidas de choupo (a), eucalipto (b) e acácia (c); Amostras

trituradas para combustão de choupo, eucalipto e acácia (d), pellets e biomassa

residual (e) ............................................................................................................. 32

Figura 4.1: Evolução das curvas de perda de massa ........................................................... 36

Figura 4.2: Evolução das curvas de perda de massa (valores médios) ao longo da

combustão ............................................................................................................. 37

Figura 4.3: Taxa de variação de massa (média) ao longo da combustão ............................ 37

Figura 4.4: Taxa de libertação de calor ............................................................................... 39

Figura 4.5: Composição química das cinzas da amostra nº 1 de pellets a 15KV (a) e 50KV

(b) .......................................................................................................................... 46

Figura 4.6: Composição química das cinzas da amostra nº 1 de biomassa residual florestal

de eucalipto a 15KV (c) e 50KV (d) ..................................................................... 47

Índice de Tabelas

Tabela 2.1: Quantidade de cinzas resultante da combustão a 550ºC de biocombustíveis . 14

Tabela 3.1: Teor de humidade (%) das três espécies em estudo ......................................... 33

Tabela 4.1: Tempos de ignição ............................................................................................ 35

Tabela 4.2: Dados para o cálculo do valor do PCI .............................................................. 39

Tabela 4.3: Energia total libertada ...................................................................................... 40

Tabela 4.4: Massa final das amostras em estudo após a combustão ................................... 41

Tabela 4.5: Composição química (mg/kg base seca) e teor de cinzas (% de peso em base

seca) de espécies folhosas e coníferas, Pinus Pinaster e Eucalyptus globulus ..... 42

Tabela 4.6: Gama de concentração dos principais elementos formadores de cinzas

presentes no biocombustível (a) e nas cinzas (b) para espécies coníferas ............ 43

Tabela 4.7: Composição química das cinzas da amostra de pellets e de biomassa residual

florestal de eucalipto a 15KV e 50KV .................................................................. 44

Tabela 4.8: Elemento químico presente nas cinzas e respectiva influencia em efeitos

causados ................................................................................................................ 49

Siglas

Ana Luísa Diogo Ferreira xi

Siglas

Br – Bromo

C2H4 – Etileno

C2H6 – Etano

Cd – Cádmio

CH4 – Metano

CLCR – Culturas lenhosas de curta rotação

CO – Monóxido de carbono

CO2 – Dióxido de carbono

Cr – Crómio

FGECs – First generation bioenergy crops

GEE – Gases de efeito de estufa

H2 – Hidrogénio

H2S – Sulfeto de hidrogénio

HCl – Cloreto de hidrogénio

Hg – Mercúrio

HRR – Heat Release Rate

M b.h – Teor de humidade em base húmida

M b.s. – Teor de humidade em base seca

N – Nitrogénio

N2O – Óxido nitroso

NH3 – Amoníaco

NO – Monóxido de azoto

NO2 – Dióxido de azoto

ODT – Oven dried ton

Pb – Chumbo

PCI – Poder calorifico inferior

PCS – Poder calorifico superior

S – Enxofre

SGECs – Second generation bioenergy crops


xii 2015

SO2 – Dióxido de enxofre

SO3 – Óxido sulfúrico

TGECs – Third generation bioenergy crops

UE – União Europeia

V – Vanádio

Zn – Zinco

INTRODUÇÃO

Ana Luísa Diogo Ferreira 1

1. INTRODUÇÃO

O padrão de consumo de energia no mundo alterou-se com a industrialização

sucessiva das economias do Sudeste da Ásia e do Brasil e, recentemente, com o ritmo

crescente da industrialização da China e da Índia que impulsionou um aumento na procura

energética, conduzindo a um aumento no uso de combustível fóssil e do seu preço (Sims et

al., 2006; Wright, 2006).

1.1. Enquadramento

As preocupações ambientais, a disponibilidade limitada de combustíveis

fósseis e os altos preços de energia impuseram a necessidade da redução do consumo de

energia primária e uma diversificação das fontes de energia, (Ferreira et al., 2009) dando

origem ao desenvolvimento de produtos a partir de recursos renováveis e incentivando os

governos, em todo o mundo, a apoiar a transição para uma economia de base biológica a

fim de reduzir as emissões dos gases de efeito de estufa responsáveis pelas alterações

climáticas (Muylle et al., 2015; Camarsa et al., 2015; Borkowska e Molas, 2013).

O primeiro grande passo foi dado com a criação do protocolo de Quioto, um

protocolo mundial, em que a nível europeu, os países membros da União Europeia (UE) se

comprometeram a reduzir as suas emissões coletivas em 8%, face aos níveis de 1990 até

2012 (European Commission, 2015). Mais tarde, e como forma de combate à grave crise

económica, social e ambiental sentida na união europeia, a comissão europeia e os seus

estados-membros propuseram a “Estratégia Europa 2020" cujas metas visam reduzir a

dependência da energia importada, não só tornando a UE energeticamente auto-

suficiente, como combater as alterações climáticas, aumentar a segurança energética da UE

e reforçar a sua competitividade. Para tal, os três principais objetivos estipulados foram a

redução de 20% nas emissões de gases com efeito de estufa (GEE) em relação aos níveis

de 1990, o aumento da fração do consumo de energia da UE produzidos a partir de

recursos renováveis para 20% e uma melhoria de 20% na eficiência energética da UE

(European Commission, 2014).


2 2015

Embora a UE esteja a fazer bons progressos no sentido de cumprir os seus

objetivos energéticos para 2020, recentemente, a comissão europeia propôs um quadro de

política de clima e energia para 2030 cujo objetivo é a redução das emissões de GEE em

40% abaixo dos níveis de 1990 e o aumento da quota das energias renováveis para, pelo

menos, 27% do consumo energético da UE até 2030, garantido o cumprimento do objetivo

da redução das emissões em pelo menos 80% até 2050 (Gioti Papadaki, 2012; European

Commission, 2014; Camarsa et al., 2015).

Vários estudos confirmam que o futuro da energia pode estar fortemente ligado

à extração de produtos de alto valor a partir da fonte de biomassa, sendo os principais

substitutos renováveis das matérias-primas de origem fóssil as culturas energéticas, os

resíduos agroflorestais e os resíduos das indústrias conexas (Muylle et al., 2015; Laurent et

al., 2015; Ferreira et al., 2009; Sims et al., 2006).

A biomassa é a mais antiga fonte de energia que a humanidade conhece desde

os tempos antigos e a sua energia é a mais abundante e versátil entre as energias renováveis

no mundo (Ferreira et al., 2009; Dipti e Priyanka, 2013). Existem inúmeros tipos e fontes

de biomassa, uma ampla gama de tecnologias de conversão e potenciais utilizações finais.

Encontrar as combinações mais eficientes dos três elementos anteriormente mencionados é

o principal desafio para o futuro desenvolvimento da produção de bioenergia da UE numa

perspetiva ambiental (European Environmental Agency, 2013)

Ainda que se afirme que a transição para uma sociedade com baixas emissões

de carbono é um pilar essencial da “Estratégia Europa 2020” (Camarsa et al., 2015), a

descarbonização total da economia até 2050 (em que a bio economia europeia prevê um

papel de liderança em 2030 para produção e conversão da biomassa) está ameaçada no

sector da biomassa devido à precoce e completa eliminação dos subsídios para o cultivo de

plantações perenes dedicadas às culturas energéticas (Borkowska e Molas, 2013).

Na produção de bioenergia a partir de biomassa, é dada uma particular atenção

às culturas energéticas que podem ser convertidas em energia para aquecimento, em

eletricidade (de combustão ou mecanização) e biocombustíveis (por exemplo bioetanol,

biodiesel e biogás). Na UE é esperado que as culturas energéticas venham a ter grande

parte da sua contribuição nos setores de energia e transportes (Laurent et al., 2015).

INTRODUÇÃO


1.2. Objetivos

Devido a uma grande variedade de espécies de culturas energéticas atualmente

cultivadas para a produção de biocombustível, como objetivo geral deste trabalho foi

estipulado um estudo aprofundado do conceito das culturas energéticas e da sua produção

na Europa e outros países do mundo a fim de aplicar a experiência existente em Portugal.

O trabalho foca-se nas culturas energéticas lenhosas utilizadas como biocombustíveis para

a combustão direta, tendo sido dada particular atenção aos resíduos provenientes da

combustão (cinza sólida) e ao seu impacto a nível ambiental e de manutenção de

equipamentos.

Para alcançar o objetivo foi realizada uma revisão bibliográfica exaustiva de

forma a compreender a tipologia de plantações energéticas a ser instaladas em Portugal.

Principal atenção foi dada a três espécies: choupo (Populus alba.), eucalipto (Eucalyptus

globulus) e acácia-mimosa (Acacia dealbata). O choupo é uma espécie bem estudada em

termos da sua produtividade e condução das plantações, sendo uma espécie de referência.

Estudos recentes desenvolvidos em Portugal (Santos, 2009) apontam o eucalipto como

uma espécie potencial de plantações de curta rotação com fim energético. A acácia é uma

planta invasora que se encontra em abundância em zonas rurais abandonadas do Centro de

Portugal, aumentando o risco de incêndios florestais, pelo que o seu estudo como potencial

planta energética será de grande importância.

A produção sustentável de culturas energéticas desempenha um papel central

numa economia de base biológica e é um grande desafio para garantir a sua integração em

termos de recursos de terra e água do país. Ao mesmo tempo, o aumento da procura de

biomassa para bioenergia constitui grandes desafios para a agricultura no sentido de não

comprometer a produção de alimentos, pelo que todo o conhecimento sobre vantagens e

desvantagens de plantações energéticas é essencial.


4 2015

ESTADO DA ARTE


2. ESTADO DA ARTE

2.1. Biomassa

O termo “biomassa” compreende “o material orgânico não fossilizado e

biodegradável proveniente de plantas, animais e microrganismos; inclui produtos,

subprodutos, resíduos e restos da agricultura, da silvicultura e indústrias afins, bem como a

não fossilizada e biodegradável fração orgânica dos resíduos industriais e municipais;

inclui também gases e líquidos recuperados a partir da decomposição de matéria orgânica

não fossilizada e biodegradável” (MRG 2007; Ferreira et al., 2009). A biomassa constitui a

matéria-prima para a produção de diferentes tipos de biocombustíveis: sólidos (estilha,

pellets, briquetes), líquidos (metanol, etanol, diesel), e gasosos (gás de síntese, o biogás,

hidrogênio) (Sims et al., 2006).

São inúmeras as vantagens do uso da biomassa para a produção de energia,

entre as quais se encontram benefícios ambientais (redução das emissões de GEE),

energéticos (redução da dependência dos recursos não renováveis), sociais (criação de

emprego), prevenção de incêndios florestais, melhoria da produtividade florestal e

desenvolvimento rural. Dipti e Priyanka (2013) e FNR (2009) afirmam que a biomassa não

só está disponível em grandes quantidades, como tem a considerável vantagem de ser a

única fonte de energia renovável que pode ser armazenada e utilizada na produção de

biocombustível quando necessários.

Existe, no entanto, alguma ponderação a considerar relacionada com o uso e com a

produção de biomassa para fins energéticos. Há precauções na quantidade de produção

anual de biomassa para que a produção de alimentos não seja afetada e o equilibro

ecológico garantido (FNR, 2009). Uma forte aposta nas plantações energéticas pode

conduzir à redução da biodiversidade. Relativamente à produção de bioenergia neutra de

CO2, a biomassa, apenas quando produzida por meios sustentáveis, emite para a atmosfera

durante a sua conversão, a mesma quantidade de carbono que foi absorvida pela planta

durante o seu crescimento. Apenas neste contexto a utilização de biomassa não contribui

para a acumulação de CO2 na atmosfera (Ferreira et al., 2009). Entretanto, a utilização da

biomassa para produção de bioenergia pode conduzir à emissão de algumas substâncias


6 2015

prejudiciais para o ambiente (particularmente quando se trata de conversão de biomassa

para bioenergia através de combustão).

No âmbito do presente trabalho, é evidenciada a biomassa lignocelulósica: a

biomassa vegetal proveniente de resíduos agrícolas ou culturas energéticas lenhosas,

constituída por polímeros de celulose, hemicelulose e lignina. Devido à sua abundância e

capacidade de renovação é considerada em todo o mundo uma potencial matéria-prima

para a produção sustentável de bioenergia. A biomassa lignocelulósica utiliza-se sobretudo

na produção de biocombustível sólido de combustão direta. Também pode ser hidrolisada e

os açúcares resultantes utilizados para a produção de etanol e outros biocombustíveis

(Yuan et al., 2008; Zheng et al., 2014; Phitsuwan et al., 2013; Laurent et al., 2015).

2.2. Processos de conversão de biomassa para energia

Existem vários processos de conversão de biomassa em energia sendo

subdivididos em duas principais tecnologias de processo: decomposição termoquímica

(que inclui os processos de combustão, pirólise, gaseificação) e a conversão bioquímica

(que abrange a digestão anaeróbia e a fermentação). A escolha do processo tem em

consideração vários fatores como o tipo de energia final desejada, as normas ambientais, o

tipo e a quantidade de biomassa disponível, os fatores específicos do projeto e as políticas

governamentais. A escolha de um método de conversão não é apenas um questão técnica,

mas acima de tudo uma questão económica: quanto mais complexo o procedimento, maior

o custo final da fonte de energia (Silva et al., 2013).

2.2.1. Processos de conversão termoquímicos

Os processos termoquímicos recorrem a uma fonte de calor para converter

biomassa em biocombustíveis. São processos adequados para espécies herbáceas de baixa

humidade, como biomassa derivada de pastos, vegetação lenhosa não adequada para

produção a de madeira ou resíduos provenientes do sector florestal e agrícola. A pirólise,

combustão e gaseificação são os processos termoquímicos abordados sendo a quantidade

de oxigénio presente ao longo do processo o fator que mais difere entre eles. (Ferreira et

al., 2009; European Environment Agency, 2013; Santos, 2009)

ESTADO DA ARTE


Pirólise

A pirólise da biomassa é o processo de decomposição termoquímica da matéria

orgânica a temperaturas que rondam os 500ºC e difere da combustão uma vez que o

processo ocorre na total, ou quase total, ausência de oxigénio. É necessária uma fonte de

calor externa e é obtida uma mistura de gases, líquidos e sólidos com altos poderes

caloríficos que podem ser aplicados em diversas áreas, tanto na indústria química como no

sector da energia (Ferreira et al., 2009; Santos, 2011; IEA ,2007).

A granulometria da biomassa, composição química, temperatura do reator,

velocidade ou taxa de aquecimento e o tempo de residência da fase gasosa, influenciam a

qualidade e quantidade dos produtos da pirólise (Lora et al., 2012; Santos, 2011). No que

concerne à influência das propriedades da biomassa, pode dizer-se que a humidade e a

densidade são as que maior peso têm. Quanto menor a humidade da biomassa, mais leve

será o processo da pirólise e, consequentemente, menor será a necessidade de uma

decomposição rígida dos seus constituintes (Santos, 2011).

A fração sólida obtida no processo é o principal produto da pirólise, o carvão

vegetal. Constituído essencialmente por cinza e carbono, podem ser aproveitados

diretamente como combustível ou na produção de carvão ativado substituindo o carvão e a

lenha em fornos na indústria siderúrgica (Lora et al., 2012; Santos, 2011). O carvão vegetal

tem o dobro da densidade energética do material de origem e queima a uma temperatura

superior (Agência Nacional de Energia Elétrica, 2008).

O produto líquido é composto por um óleo vegetal, também conhecido por óleo

de pirólise, bio óleo bruto, biocombustível, líquido de madeira, alcatrão pirolenhoso, entre

outros. Facilmente transportado e armazenado, possui reduzidas quantidades de nitrogénio

e enxofre e pode ser usado em camaras de combustão, turbinas e motores a diesel,

substituindo gradualmente os derivados do petróleo devido ao seu alto valor calorifico

(Ferreira et al., 2009; Lora et al., 2012; Santos, 2011; Silva et al., 2013).

O gás típico da pirólise da biomassa é composto por gases não condensáveis

como hidrogénio (H2), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), metano

(CH4), podendo também estar presentes hidrocarbonetos e alguns gases indesejados como

sulfeto de hidrogénio (H2S) e amoníaco (NH3), que poderão necessitar de ser removidos do

gás de síntese, dependendo da utilização final do gás (Lora et al. 2012; Saidur et al. 2011).


8 2015

A pirólise inclui uma distinção baseada no tipo de taxa de aquecimento,

podendo classificar-se em pirólise lenta e pirólise rápida. A pirólise lenta baseia-se numa

moderada taxa de aquecimento a cerca de 450ºC, com um tempo de residência no reator

elevado, o que favorece a formação de carvão vegetal. A pirólise rápida tem uma rápida

taxa de aquecimento com curtos tempos de residência, tanto da partícula de biomassa

quanto da fase gasosa (voláteis e gases) maximizando as quantidades de bio óleo produzido

sendo inferior a quantidade de carvão vegetal resultante (Verissimo, 2014).

A principal vantagem da pirólise como pré-tratamento de biomassa é o

aumento da sua densidade energética visto que o principal produto é o carvão vegetal (Lora

et al., 2012).

Gaseificação

A gaseificação consiste na conversão termoquímica da biomassa em

combustíveis gasosos através da oxidação parcial da biomassa a elevadas temperaturas

(800ºC - 1200ºC) sendo necessária a presença de um agente gaseificador, podendo este ser

ar, vapor de água, oxigénio ou uma combinação de ambos (Lora et al., 2012; Saidur et al.,

2011).

São vários os fatores que influenciam a eficiência do processo: características

físico-químicas da biomassa, agente de gaseificação, tempo de residência, uso ou ausência

de catalisadores e a razão de equivalência, ou seja, o fator de ar. O fator de ar corresponde

à quantidade de combustível versus quantidade de agente gaseificador utilizado (Lora et

al., 2012; Verissimo, 2014).

Os produtos resultantes da gaseificação são o gás de síntese e as cinzas. O

gás contém maioritariamente CO e H2, além de CH4, pequenas quantidades de CO2 e ainda

reduzidos vestígios de hidrocarbonetos tais como etileno (C2H4) e etano (C2H6), gases

inertes e contaminantes como pequenas partículas de carvão, alcatrão e cinzas (Ferreira et

al., 2009; International Energy Agency, 2007). O poder calorifico do gás e a sua

composição dependem das condições de operação do gaseificador, nomeadamente do

agente gaseificador utilizado e da temperatura a que ocorre o processo. O gás síntese tem

diversas aplicações entre as quais se destaca a produção de H2 e combustíveis líquidos,

queima direta para geração de energia elétrica e matéria-prima para a indústria química.

Pode também ser usado para a produção de gás natural sintético, uma alternativa ao gás

natural ainda que demasiado dispendiosa (Lora et al. 2012; Santos 2009; Boerrigter e

ESTADO DA ARTE


Rauch 2006). Diferentes aplicações requerem diferentes concentrações dos componentes

do gás, no entanto, independentemente da aplicação pretendida, o gás síntese deve cumprir

requisitos de qualidade quanto ao seu poder calorifico, concentração dos seus componentes

e impurezas presentes. Uma limpeza do gás é por vezes necessária e consiste na eliminação

de componentes químicos nocivos ao meio ambiente e à saúde humana, entre os quais o

enxofre (S) (Agência Nacional de Energia Elétrica, 2002).

Combustão

A combustão de biomassa é o principal método de conversão de biomassa para

energia, responsável por mais de 90% da contribuição global para a bioenergia. Considera-

se que a combustão de biomassa é um processo livre de carbono pois o CO2 resultante do

processo foi previamente capturado pelas plantas. Consiste numa sequência de reações

químicas pela qual um combustível, em presença de oxigénio, se dissocia quimicamente

libertando a sua energia química armazenada (reação exotérmica). Os gases quentes podem

ser utilizados diretamente ou transformados em energia mecânica ou electricidade em

diferentes equipamentos, tais como, fogões, fornos, caldeiras, turbinas a vapor,

turbogeradores, entre outros (Silva et al., 2013; IEA, 2007).

A seleção e o design de qualquer sistema de combustão de biomassa são

determinados pelas características físico-químicas do combustível, legislação ambiental em

vigor, custos e desempenho dos equipamentos necessários ou disponíveis, bem como a

energia e capacidade necessárias (calor, eletricidade) (Berndes et al., 2008).

Distinguem-se os sistemas de combustão de grande e pequena escala. Sistemas

de grande escala (ou escala industrial) utilizam combustíveis de baixa qualidade (resíduos

florestais, pellets industriais); para os sistemas de pequena escala (ou escala domestica) é

necessário um combustível de alta qualidade (lenha, briquetes, pellets de uso doméstico).

Quanto menor for a instalação de combustão, maiores as exigências relativas à qualidade

dos combustíveis e à sua homogeneidade. (Berndes et al., 2008).

O tipo de combustível influencia o processo de combustão e determina o

sistema de alimentação de combustível e a tecnologia de combustão adequados devido às

diferentes características. Os parâmetros de grande relevância são: dimensão e

homogeneidade das partículas, teor de humidade, massa volúmica, densidade energética,

poder calorífico superior e inferior, teor em voláteis e teor em cinzas (Berndes et al. 2008).


10 2015

Em relação à dimensão das partículas, os biocombustíveis podem estar

disponíveis como material-a-granel (por exemplo, aparas de madeira, pequenas partículas

provenientes da serragem) ou material-unidade (por exemplo, fardos de palha, lenha).

Pequenas partículas de combustível necessitam de menor tempo de permanência na câmara

de combustão e quanto mais homogéneas as partículas, melhor a qualidade do combustível

e o controlo do processo de combustão (Berndes et al., 2008).

O teor de humidade dos biocombustíveis apresenta grande variação de acordo

com o tipo biomassa, armazenamento e pré-tratamento a que foi sujeita: por exemplo, teor

de humidade de 25 a 60% em peso (base húmida) para casca ou subprodutos de serragem,

e abaixo de 10% em peso (base húmida) para pellets e resíduos de processamento de

madeira seca. Elevado teor de humidade reduz a eficiência do sistema de combustão (saída

de calor da caldeira/entrada de energia do combustível (Berndes et al. 2008).

A densidade de diferentes biocombustíveis é altamente variável, existindo uma

significativa diferença entre folhosas e coníferas (resinosas). As madeiras de folhosas têm

densidade mais elevada, o que influencia o volume da câmara de combustão, a proporção

de entrada de energia e as características de combustão do combustível (Berndes et al.,

2008).

A densidade energética representa a relação entre o conteúdo energético do

combustível e o volume que este ocupa influenciando o transporte e armazenamento do

biocombustível bem como a sua aplicação em determinados equipamentos. A baixa

densidade energética dos combustíveis sólidos (lenha, palha, resíduos) dificulta o seu

armazenamento e transporte (Berndes et al., 2008).

A porosidade do combustível influencia a sua reatividade (perda de massa por

unidade de tempo) e consequentemente o seu comportamento de desvolatilização (Berndes

et al., 2008).

O poder calorifico superior (PCS) e o poder calorifico inferior (PCI) dependem

do tipo e origem da biomassa, teor de humidade e cinzas. O PCS corresponde ao calor

libertado por unidade de massa de combustível, estando toda a água formada durante a

combustão em fase liquida e apresentando, tanto a água como o gás de combustão, igual

temperatura, correspondendo à temperatura do combustível antes da combustão. O PCS da

biomassa geralmente varia entre 18 e 22MJ/kg em base seca. O PCI é definido como o

calor libertado por unidade de massa de combustível estando a água formada durante a

ESTADO DA ARTE


combustão em fase gasosa e apresentando, tanto a água como o gás de combustão, igual

temperatura, correspondente à temperatura do combustível antes da combustão (Berndes et

al., 2008).

O teor de componentes voláteis refere-se à fração de biomassa que se

decompõe termicamente passando para a fase gasosa na forma de gases combustíveis

voláteis, e influencia a decomposição térmica dos combustíveis sólidos (Berndes et al.,

2008). Geralmente a biomassa contém alto teor de componentes voláteis (entre 70 e 86%

de peso em base seca) em comparação com o carvão, tornando-a num combustível

altamente reativo.

O teor em cinzas depende do tipo de biomassa podendo variar entre os 0,1% e

os 46,4% em base seca (Berndes et al., 2008).

Os produtos decorrentes da combustão completa são o vapor de água (H2O),

CO2, excesso de oxigénio e azoto (N2). Para além destes elementos formam-se poluentes

gasosos como óxidos de azoto (por exemplo monóxido de azoto (NO) ou dióxido de azoto

(NO2)), NH3, óxido nitroso (N2O), óxidos de enxofre (por exemplo dióxido de enxofre

(SO2) e óxido sulfúrico (SO3)), cloreto de hidrogénio (HCl), cinzas e partículas

contaminantes como chumbo (Pb), zinco (Zn), cádmio (Cd) entre outros. Podem ainda

surgir produtos resultantes da combustão incompleta como CO, CxHy e carbono não

queimado (Nussbaumer, 2003).

O uso da biomassa para combustão tem algumas desvantagens comparando

com a utilização de combustíveis fosseis. O menor poder calorifico, a baixa densidade

energética e o elevado teor de humidade afetam a eficiência e o rendimento energético da

combustão. No entanto, a qualidade dos combustíveis pode ser melhorada por tecnologias

de pré-tratamento aplicadas de acordo com a qualidade do combustível (Berndes et al.,

2008).

2.2.2. Processos de conversão bioquímicos

As tecnologias de conversão bioquímica incluem fermentação para a produção

de etanol e digestão anaeróbia para produção de gás enriquecido em metano.

Fermentação

A fermentação é um processo biológico que habitualmente visa a produção de

etanol a partir de culturas de açúcar e culturas de amido ricas em açúcares e celulose (por


12 2015

exemplo batata, milho, beterraba e cana-de-açúcar). É uma tecnologia simples e baseia-se

na mistura de biomassa com água em tanques quentes chamados fermentadores. Pela ação

de microrganismos (geralmente leveduras), o açúcar das plantas é convertido em álcool, e

o produto final é o etanol, sendo este posteriormente destilado (Silva et al., 2013).

No que concerne ao tipo de biomassa a ser convertida, influenciará o custo do

produto final: biomassa à base de amido tem menores custos que a matéria-prima que

contem açúcares, no entanto, esta requer um processamento adicional; os materiais de

celulose, como a madeira, têm maior disponibilidade mas necessitam de uma preparação

mais dispendiosa (Ferreira et al., 2009).

Digestão anaeróbia

A digestão anaeróbia consiste num conjunto de processos onde bactérias, na

ausência de oxigénio, decompõem material biodegradável proveniente de alimentos,

animais mortos, culturas verdes (culturas energéticas como milho, girassol e sorgo

sacarino) entre outros, em biogás, visando a recuperação de metano (International Energy

Agency, 2007).

O biogás é um dos possíveis produtos finais da digestão anaeróbia. É composto

maioritariamente por CH4 (cerca de 50% a 75%) e CO2 e pequenas quantidades de H2O (2

a 7%), H2S, O2, N2, NH3, H2 entre outros gases residuais. Após purificado, o biogás pode

ser utilizado para produção de eletricidade e / ou calor, integrado em redes de gás natural

ou usado como combustível em meios de transporte. A produção de biogás é vantajosa em

relação a outro tipo de energias renováveis, uma vez que apresenta um poder calorifico

semelhante ao do gás natural emitindo menos quantidade de GEE (FNR, 2009; Gonçalves,

2012).

2.2.3. Impacto ambiental derivado da produção de bioenergia

Diferentes qualidades de biocombustível advêm de uma ampla gama de fontes

de biomassa disponíveis para utilização térmica. Algumas especificações, tais como

tamanho de partícula, teor de água, teor de cinzas, tipo de combustível, entre outros, são

importantes parâmetros que definem a qualidade do biocombustível e o seu impacto

ambiental. (Berndes et al., 2008).

ESTADO DA ARTE


Dos diversos processos de conversão de biomassa em energia, são múltiplos os

resíduos resultantes prejudiciais a vários níveis. Já no que concerne ao processo de

combustão em particular, os principais resíduos são as cinzas e as emissões de gases.

Os principais elementos químicos presentes nos biocombustíveis responsáveis

pela formação de cinzas são o cálcio (Ca), magnésio (Mg), potássio (K), sódio (Na), ferro

(Fe) e fósforo (P). Os elementos minoritários são manganês (Mn), Zn, níquel (Ni), crómio

(Cr), Cd e cobre (Cu). Geralmente os elementos principais têm influência na fusão de

cinzas e consequentemente nos processos de deposição de resíduos (escória) e corrosão do

equipamento de combustão, enquanto os elementos minoritários têm uma maior relevância

nos impactos ambientais provenientes das emissões de partículas e na posterior

possibilidade de utilização das cinzas (Telmo et al., 2010).

Elementos químicos presentes na biomassa tais como mercúrio (Hg), Cd,

vanádio (V), bromo (Br) e Cr contêm elevado potencial de volatilização durante a

combustão podendo contaminar o solo, água, ar e as plantas das áreas próximas do local da

combustão (Vassilev et al., 2014).

As concentrações de nitrogénio (N) e enxofre (S) na biomassa são de grande

importância, uma vez que originam emissões gasosas prejudiciais ao meio ambiente e à

saúde humana. Assim, um dos principais impactos ambientais da combustão de

biocombustíveis sólidos consiste nas emissões de NOx, sendo o nitrogénio o responsável

pela formação dos óxidos de azoto, por exemplo NO2. No que concerne ao S, após a

combustão da biomassa, cerca de 40 a 90% permanece nas cinzas e o restante é

transformado e emitido na forma de SO2 e em menores quantidades na forma de SO3.

Emissões apenas são esperadas com concentrações de S acima dos 0.2% em peso da

biomassa. No entanto, espécies lenhosas contêm geralmente quantidades relativamente

baixas destes elementos químicos não sendo um ponto critico neste tipo de biomassa

(Francescato et al., 2009; Telmo et al., 2010).

Se cultivada em solos sujeitos à aplicação de adubos ou outros resíduos

líquidos, ou se co alimentada a carvão, a biomassa pode conter metais pesados que

posteriormente estarão presentes nas cinzas (Horta et al., 2010; International Energy

Agency, 2007).

Após a combustão de biomassa, a maioria dos metais pesados, cuja quantidade

depende da tipologia e cultivo de biomassa, subsiste nas cinzas. Por exemplo, cinzas da


14 2015

combustão de palha de cereais contêm quantidades significativamente menores de metais

pesados do que cinzas de biomassa lenhosa o que se deve, geralmente, ao longo período de

rotação das espécies lenhosas, aumentando a acumulação, as velocidades de deposição em

florestas e originando um menor valor de pH do solo que posteriormente aumenta a

solubilidade da maioria dos metais pesados (Berndes et al., 2008).

A quantidade e qualidade de cinzas, bem como os elementos de volatilização

dependem das temperaturas ao longo do processo de combustão. O estudo de Vassilev et

al., (2013a) indica que a quantidade de cinzas resultantes de combustões a 1100-1500ºC é

cerca de 7 a 59% (% peso) menor que cinzas provenientes de combustões a 500ºC.

Relativamente à influência do tipo de biomassa na quantidade de cinzas em

base seca (bs), a Tabela 2.1 apresenta alguns exemplos.

Tabela 2.1: Quantidade de cinzas resultante da combustão a 550ºC de biocombustíveis

Biocombustível Quantidade de cinzas

(% de peso em bs)

Casca 5.0 – 8.0

Estilha (woodchips) com casca (floresta) 1.0 – 2.5

Estilha (woodchips) sem casca (industrial) 0.8 – 1.4

Serrim de madeira 0.5 – 1.1

Resíduos (ramos/ folhagem) biomassa lenhosa 3.0 – 12.0

Palhas e cereais 4.0 – 12.0

Miscanthus 2.0 – 8.0

Adaptado: Berndes et al., 2008

De acordo com a Tabela 2.1, palha e cereais usualmente originam grandes

volumes de cinzas, enquanto biomassa lenhosa apresenta menores volumes das mesmas

ainda que os seus resíduos apresentem também valores elevados. Também o combustível

contaminado com impurezas minerais origina superior quantidade de cinzas (Berndes et al.

2008; International Energy Agency, 2007).

Combustíveis com reduzido teor de cinzas são mais adequados para a

utilização térmica do que combustíveis com elevado teor de cinzas, o que se deve ao fato

de quanto menor o teor em cinzas, mais simples a combustão da biomassa e o transporte,

ESTADO DA ARTE


armazenamento e utilização ou eliminação das cinzas. Elevados teores de cinzas exigem

maiores preocupações no sistema de combustão, desde o tipo do permutador de calor,

sistema de limpeza do permutador de calor e tecnologia de precipitação de poeiras

(Berndes et al., 2008).

Entretanto, é necessário ter em conta a temperatura de combustão

comparativamente à temperatura de fusão de cinzas. Baixa temperatura de fusão de cinzas

numa combustão com altas temperaturas pode dar origem ao slagging. Espécies lenhosas

não são críticas pois possuem elevadas temperaturas de fusão de cinzas, no entanto, cinzas

de palha de cereais começam a sinterizar e fundir a valores mais baixos de temperatura,

facto que deve ser considerado na escolha do equipamento de controlo de temperatura

necessário para o forno (Francescato et al. 2009; Berndes et al. 2008).

Potenciais utilizações das cinzas de biomassa

As concentrações de metais pesados nas cinzas de biomassa, tais como Cu, Zn,

Mn, Pb, Cd, Cr, Hg e Ni, são de importância considerável para uma sustentável utilização

das cinzas. Quando aplicadas em quantidades moderadas, a concentração dos metais

pesados das cinzas não prejudica o desenvolvimento das culturas nem a atividade

microbiana do solo (Horta et al., 2010). As cinzas de biomassa têm diferentes potenciais de

utilização, entre eles correção do solo e adubação, produção de materiais de construção e

absorventes, e, ocasionalmente, síntese e produção de minerais, cerâmica e outros

materiais. No que concerne à possível utilização de cinzas na agricultura, está dependente

da natureza das cinzas, do acesso à terra nas proximidades, tipos de solo e dos níveis de

nutrientes existentes no solo. A presença de Ca nas cinzas pode reduzir a acidez do solo

criando condições favoráveis à melhoria da fertilidade, não sendo necessário o habitual

procedimento da calagem, evitando também a emissão de CO2 para a atmosfera que ocorre

aquando a aplicação de calcário como corretivo alcalinizante. Por conseguinte há um

aumento de PH, redução da lixiviação ácida de elementos perigosos do solo para a corrente

de água, diminuição da toxicidade da planta, melhor ambiente para alguns

microorganismos e melhoria na textura, areação e capacidade de retenção de água do solo

(Horta et al., 2010; Vassilev et al., 2013b).


16 2015

2.3. Culturas energéticas

2.3.1. Classificação

Embora o termo “culturas energéticas”1 seja desconhecido para alguns, este

conceito está presente desde que as culturas agrícolas e florestais e os seus resíduos

serviram como fonte principal de energia, até a descoberta do óleo em 1859 (Dipti e

Priyanka., 2013).

Na sua maioria, culturas energéticas são espécies de plantas com rápido

crescimento, elevada produção de biomassa, tolerantes a stresses bióticos e abióticos, com

baixos requisitos para pré-tratamentos biológicos, químicos ou físicos (Borkowska e

Molas, 2013; Phitsuwan et al., 2013). Sem elevados requisitos de qualidade do solo,

podem ser cultivadas em solos pobres em nutrientes, locais ameaçados pela erosão, com

necessidade de reabilitação, ou em locais impróprios para agriculturas. No entanto, os

requisitos meteorológicos são bastante variados. Estudos demonstram que existe uma

correlação entre a disponibilidade de água e os rendimentos de produção de biomassa e que

os fatores hidrológicos afetam as espécies de diferentes formas. Como exemplo,

miscanthus x giganteus alcança melhores rendimentos em verões quentes e húmidos

devido à intolerância a baixas temperaturas e necessidade de humidade; Virginia fanpetals

necessita de ambos os requisitos (temperatura e precipitação) de forma moderada. A baixa

necessidade de água são características de algumas espécies de gramíneas, o que pode

indicar estabilidade de produção, independentemente da quantidade de precipitação durante

a estação de crescimento. Já o salgueiro exige uma quantidade significativa de água ao

invés do que se verifica no choupo, que apresenta melhor adaptação ao stresse hídrico

(Aylott et al., 2008; Borkowska e Molas, 2013).

Também a época de colheita influencia o nível de rendimento das culturas:

quando colhido no outono, o rendimento biológico de miscanthus é completo; no entanto, a

colheita pode realizar-se na primavera, aquando a perda de folhas. Ainda que exista

diminuição de rendimento entre 25 a 50%, a qualidade do combustível aumenta, uma vez

que a biomassa é seca e pode ser facilmente armazenada enquanto a matéria orgânica e os

1 Como culturas energéticas entende-se qualquer material vegetal plantado ou

cultivado com a finalidade de produzir grande volume de biomassa utilizada

posteriormente na produção de diferentes tipos de biocombustíveis.

ESTADO DA ARTE


nutrientes são devolvidos o solo. Assim, a estratégia de produção ideal, independentemente

do nível de rendimento, também depende das necessidades de combustível do setor de

energia e das considerações ecológicas (Venendaal et al., 1997).

Na maioria das culturas energéticas com plantação de curta rotação, o

espaçamento entre plantas e o ciclo de corte são os aspetos agronómicos que mais

influenciam a produção de biomassa. Também a adubação e a preparação do solo podem

afetar significativamente a eficiência energética (Nassi et al., 2010). Como exemplo,

rendimentos de culturas anuais, como milho e trigo, estão dependentes de uma significativa

quantidade de fertilizantes de nitrogénio no solo. Por outro lado, culturas perenes e

arbóreas, podem alcançar maior produção biomássica com um input mais baixo deste

mesmo fertilizante (Weih, 2010).

Existem várias classificações de culturas energéticas. De acordo com Sims et

al. (2006) e Yuan et al. (2008), as culturas energéticas podem ser classificadas em quatro

grupos de acordo com a tipologia de matéria-prima, considerando que muitas das suas

espécies vegetais são polivalentes, produzindo mais do que um tipo de produto de energia:

Oleaginosas como colza, girassol, oliveira, palmeira, coco e amendoim podem ser

utilizados diretamente usando o óleo vegetal como um combustível de aquecimento ou

indiretamente quando refinado para produção de biocombustíveis para uso em meios

de transporte, tais como ésteres de biodiesel.

Cereais como cevada, trigo, milho, sorgo e centeio podem ser utilizados como um

combustível sólido ou como matéria-prima para produção de biogás quando colhidos

antes do amadurecimento do grão, usando a colheita inteira (grão e palha) e também

na produção de etanol, a partir dos seus grãos, ou como combustível sólido quando

aproveitada a palha. Por sua vez, o milho e o sorgo são também usados para produção

de etanol celulósico a partir da palha de milho e palha de sorgo.

Culturas de açúcar e amido como batata, beterraba e cana-de-açúcar utilizam-se para

produção de etanol a partir da fermentação de amido e glucose. O etanol utiliza-se

diretamente como um combustível, ou em misturas com gasolina.

Culturas energéticas lignocelulósicas como miscanthus, switchgrass (Panicum

virgatum), e culturas de curta rotação de salgueiro, choupo e eucalipto são utilizadas

para produção de calor e eletricidade diretamente através da combustão ou

indiretamente na produção de biocombustíveis como metanol e etanol celulósico.


18 2015

Com base na produção de biomassa e na sua utilização, ou seja, nos seus

possíveis produtos finais, as culturas energéticas classificam-se nas seguintes categorias

(Dipti e Priyanka, 2013):

Culturas bioenergéticas de primeira geração (FGECs) como milho, cana-de-açúcar,

óleo de palma e colza produzem os biocombustíveis de primeira geração. A partir da

fermentação de açúcares produzem etanol e da transesterificação de óleos vegetais

produzem biodiesel. Geralmente os biocombustíveis produzidos são misturados com

combustíveis líquidos fósseis, podendo ser também cultivados com fins alimentares,

originando uma competição por terras e aumento dos preços dos bens alimentares.

Culturas bioenergéticas de segunda geração (SGECs) apresentam maior eficiência que

FGECs. São diversos tipos de culturas desde culturas celulósicas a culturas de

hidrocarbonetos puros. Geralmente culturas lignocelulósicas dão origem a

biocombustíveis com maior conteúdo energético (GJ/ (há × ano)) que FGECs. Os

biocombustíveis de segunda geração evitam muitas das preocupações ambientais

devido à capacidade de fixação de CO2 por parte de algumas culturas lenhosas. Estas

podem também oferecer um maior potencial de redução de custos devido a culturas

oleaginosas que contêm óleos vegetais não alimentares que não competem com o óleo

alimentar proveniente de outras culturas.

Culturas bioenergéticas de terceira geração (TGECs) incluem plantas boreais, plantas

CAM, Eucalyptus spp. e microalgas. As plantas boreais e CAM são potenciais fontes

de matérias-primas para fermentação direta da celulose e o eucalipto para a produção

de bioenergia através da conversão térmica. A partir das algas é produzido biodiesel e

um número de TGECs oleaginosas tem vindo a ser testado para a produção do mesmo,

entre as quais o coco e o amendoim. Estas culturas podem contribuir na redução de

emissões de GEE através da captura de CO2 libertado por centrais de energia ou por

geração de biomassa por meio da fotossíntese.

Culturas bioenergéticas Dedicadas (Decs) incluem culturas celulósicas como árvores

de cultivo de curta rotação e arbustos. Estas culturas são formadas por biomassa

celulósica, que, por sua vez, é constituída principalmente por celulose, hemicelulose e

lignina. É uma biomassa naturalmente resistente e por conseguinte, requer tecnologias

avançadas para a sua conversão em combustíveis líquidos. A maioria dos

biocombustíveis avançados ou de segunda geração são provenientes das DEcs e

ESTADO DA ARTE


alguns exemplos destas culturas são o eucalipto (Eucalyptus spp.), choupo (Populus

spp.), salgueiro (Salix spp.), gramíneas perenes como capim-amarelo (Phalaris

arundinacea) switchgrass (Panicum virgatum) e oleaginosas não comestíveis, como a

mamona (Racinus communis) e pinhão-manso (Jatropha curcas). São culturas

propostas como uma estratégia de produção de energia sem comprometimento

alimentar ou do ambiente. Os seus requisitos de recursos genéticos para pré-

tratamentos biológicos, químicos ou físicos são mais “amigos” do ambiente e terão

uma maior contribuição para a mitigação das mudanças climáticas. As DEC são

benéficas a alguns serviços dos ecossistemas, incluindo a absorção de carbono,

aumento da biodiversidade, mitigação de salinidade e a melhoria da qualidade do solo

e freático.

Uma colheita de culturas energéticas deve ser caracterizada, não só pela alta

produção de biomassa, mas também pela sua viabilidade económica no crescimento, na

colheita e no armazenamento, de acordo com as circunstâncias específicas do mercado

naquele momento, de forma a exigir baixos requisitos de entrada e de cultivo que,

posteriormente, levarão a uma alta eficiência energética e a um baixo impacto ambiental

(International Energy Agency, 2007).

2.3.2. Sistemas de cultivo

A escolha do local de cultivo depende de diversos fatores tais como paisagem,

visibilidade, acesso viário, proximidade de uma central de processamento de bioenergia,

tipo de solo, disponibilidade de água, historial de doenças e de pragas, história

arqueológica e possibilidade de cultivo de outras culturas. Alguns possíveis locais de

cultivo podem estar sob proteção especial ou sujeitos a politicas locais que inibam a

produção de determinadas culturas. Culturas arbóreas também podem afetar a visibilidade

de caminhos atingindo a comodidade visual da população. Por outro lado, algumas

plantações podem contribuir positivamente para variações na paisagem e na

biodiversidade, fornecerem abrigo, proteção do vento e prover valor recreativo. Se for um

local com escassez de fontes de biomassa para o abastecimento de uma indústria ou

fazendas, fará também todo o sentido a produção de uma cultura energética (International

Energy Agency, 2007).


20 2015

De acordo com FNR (2013), existem vários sistemas de cultivo das culturas

energéticas sendo a maioria cultivada em sistemas de rotação, isto é, um sistema no qual

numa determinada área são plantadas diversas culturas, procedendo-se a uma rotação

anual.

Algumas espécies, como por exemplo o milho, são "compatíveis consigo

mesmas" em termos de rotação de culturas e podem ser cultivados na mesma área por anos

consecutivos. Outras espécies, ao invés, como a colza, requerem uma pausa de 3 a 4 anos

antes do novo cultivo.

Culturas plurianuais são outra opção: quando semeadas ou plantadas, podem

ser utilizados por um longo período, até 30 anos. As operações de decepa de curta rotação

fortalecem o rápido crescimento de espécies de árvores como choupos e salgueiros,

plantadas em fileiras e colhidas uma vez a cada 3-5 anos, brotando novamente de seguida.

Inicialmente, as culturas energéticas plurianuais eram uma opção pouco usada ao contrário

das culturas anuais, mas o nível de interesse por estas está a aumentar de forma

significativa.

Recentemente surgiram sistemas de cultivo inovadores, relacionados com o

cultivo de culturas mistas (várias espécies cultivadas no mesmo campo) e a utilização de

sistemas em duas colheitas num ano. Como exemplo, a colheita de grão de centeio é

realizada na primavera e posteriormente o sorgo ou milho são colhidos no outono. Este tipo

de cultivo permite cobertura vegetal ao longo de todo o ano evitando a erosão do solo

consistindo numa interessante opção como estratégia diversificada e ambientalmente

correta para a produção (ou plantação) de culturas energéticas.

Outra escolha de cultivo é o agro-florestal que se baseia numa combinação de

espécies com diferentes durações de crescimento: espécies de árvores de rápido

crescimento são plantadas em fileiras enquanto espécies de culturas anuais são plantadas

em blocos de terra entre árvores. Em sistemas como este, as fileiras de árvores contribuem

numa redução da erosão do solo causada pelo vento e pela água e existe uma maior

garantia na obtenção de rendimentos (FNR, 2013).

2.3.3. Culturas energéticas no mundo

Já nos anos 90, algumas culturas energéticas eram cultivadas visando a

produção de biocombustíveis: em França, Alemanha, Áustria e Itália eram cultivadas

ESTADO DA ARTE


oleaginosas para produção de biodiesel e na Suécia salgueiros eram plantados para

produção de calor e outras formas de energia (Venendaal et al., 1997).

Condições de cultivo e localização geográfica influenciam o rendimento das

culturas bioenergéticas. Como exemplo, devido à irrigação ao longo do crescimento da

cultura, registaram-se elevados rendimentos em culturas como o sorgo e miscanthus na

Europa central e do sul rondando entre os 30 e 40 odt/ha. Por outro lado, na Suécia, o

rendimento do salgueiro sob condições comerciais foi estimado entre 8 e 10 odt/ha e, em

muitos casos até menores valores (Venendaal et al., 1997).

De acordo com Panoutsou et al. (2011), as principais culturas energéticas

cultivadas para biocombustíveis sólidos na UE são: miscanthus no Reino Unido,

Alemanha, Espanha e Portugal; salgueiro no Reino Unido, Suécia e Alemanha; capim-

amarelo na Finlândia e na Suécia e choupo em Itália e Espanha.

Nos EUA, as principais espécies usadas para a produção de etanol são

miscanthus e switchgrass (Phitsuwan et al., 2013; Yuan et al., 2008). Nos países asiáticos,

sorgo e miscanthus são cultivados na China, ao passo que a cana-de-açúcar selvagem é

promissora na Índia. Na Tailândia, variedades de mandioca amarga foram promovidas para

a produção de etanol, devido aos baixos requisitos de cultivo desde o seu plantio à colheita

e ao alto teor de carboidratos (Phitsuwan et al., 2013).

Estimou-se que, em meados de 2011, cerca de 5,5 milhões de hectares de terras

agrícolas fossem usadas para culturas bioenergéticas (maioritariamente oleaginosas) o que

correspondia a 3,2% da área total de cultura e cerca de 1% da superfície agrícola utilizada

na UE. A colza era a mais cultivada ocupando cerca de 80 a 85% da área total de culturas

energéticas e pequenas porções eram ocupadas por girassol, milho, centeio, trigo e

beterraba. Uma elevada concentração destas culturas eram encontradas na Alemanha

(quase 60% da área de culturas energéticas totais da UE), França (> 25%), Reino Unido

(8%) e grandes áreas também na Polónia, República Checa, Suécia, Espanha e Itália

(Panoutsou et al. 2011). Culturas oleaginosas eram processadas em biodiesel, o restante

usado para a produção de culturas de etanol (11%), biogás (7%), e plantas perenes que

eram utilizadas principalmente para produção de eletricidade e de calor (1%) (Panoutsou et

al., 2011).


22 2015

2.3.4. Culturas energéticas em Portugal

Em Portugal, são escassas as culturas de biomassa lenhosa cultivadas para fins

energéticos e as existentes são de âmbito experimental. Têm sido realizados estudos que

permitem compreender os fatores que influenciam a rentabilidade biomássica, desde

espécies, sistemas de cultivo, manutenção, gestão de água, entre outros, que permitem

avaliar a possibilidade da expansão a curto prazo das culturas energéticas lenhosas

(Patrício et al., 2013).

Um ensaio experimental com culturas lenhosas de curta rotação (CLCR), foi

realizado na região norte de Portugal (Patrício et al., 2013), envolvendo espécies como o

salgueiro, choupo e freixo, sendo que, para o choupo e salgueiro, foram cultivados clones e

espécies locais com o objetivo de avaliar “sistemas de produção de biomassa, efeitos

ambientais das CLCR, ciclo de carbono, conteúdo energético de combustíveis lenhosos,

potencial regional de produção de biomassa e de energia e análise do ciclo de vida e

sustentabilidade”. As produções de biomassa deste estudo foram baixas comparativamente

a resultados obtidos na bibliografia disponível, contudo, o ensaio não reuniu as condições

ideais de uma talhadia de curta rotação devido à ausência de fertilização e de controlo de

infestantes, bem como a existência de alguma escassez hídrica. Rendimentos mencionados

por Patricio et al. (2013) provenientes de estudos de outros autores na década de 90 foram

também reduzidos devido à inadequada proveniência das espécies clonadas, danos

causados por pragas, doenças e gelo. Concluiu-se que a escolha das espécies bem como a

sua melhoria genética e o local onde são implementadas são fatores cruciais para o sucesso

da produção de biomassa (Patrício et al., 2013).

Outro estudo foi realizado no instituto superior de agronomia de Lisboa

(Carneiro et al., 2014) visando a avaliação de espécies lenhosas bem adaptadas aos

períodos de seca no verão: três espécies de acácias como possíveis culturas energéticas

lenhosas no clima mediterrâneo. Carneiro et al. (2014) afirmaram que em algumas regiões

da Europa, nomeadamente no Mediterrâneo, verões secos limitam a utilidade de algumas

espécies de culturas energéticas lenhosas que não se adaptam ao clima. Sendo a acácia, tal

como o eucalipto, uma espécie de grande adaptabilidade ao stresse, é considerada

promissora na produção de bioenergia. Tendo em conta o problema ambiental gerado pela

abundância de acácias no território português, o estudo de uso da espécie para a produção

de bioenergia torna-se de grande importância. Foram estudadas três espécies de acácia: A.

ESTADO DA ARTE


melanoxylon, A. pycnantha e A. dealbata; o eucalipto foi utilizado como espécie de

referência. A A. pycnantha obteve resultados satisfatórios na produção de biomassa,

mesmo na ausência de rega, concluindo-se que pode ser uma espécie em competição com o

eucalipto, apresentando elevado potencial de produção de biomassa para energia. Por outro

lado, a acácia-mimosa (A. dealbata) apresentou baixo crescimento, baixa sobrevivência e

fraca produção de biomassa, desfecho surpreendente tendo em consideração o forte

caracter invasivo da espécie nos ecossistemas portugueses.

2.3.5. Vantagens e desvantagens das culturas energéticas

A aposta nas culturas energéticas para produção de bioenergia é uma questão

polémica. Recentemente, Camarsa et al. (2015) e Laurent et al. (2015) esclarecem que o

cultivo de algumas plantas dedicadas à produção de biocombustíveis acarreta impactos

negativos sobre o meio ambiente, nomeadamente no que toca às emissões de gases de

efeito estufa. Como exemplo, os autores supra citados e a International Energy Agency

(2007) identificam as culturas de milho e colza que, requerendo a utilização de fertilizantes

nitrogenados, geram emissões de N2O, gás com efeito de estufa e um potencial de

aquecimento global cerca de 300 vezes superior ao CO2. Outra questão é a competição por

terras entre culturas energéticas e culturas cultivadas para alimentação humana e animal

que têm implicações na segurança alimentar e que poderão ter originado o aumento do

preço das principais culturas alimentares em 2007/2008. Por fim, alertam e vão de encontro

à opinião de European Environmental Agency (2013b) no respeitante às mudanças no uso

da terra (por exemplo, a conversão de florestas ou pastagens em terras agrícolas,) e na

diminuição da biodiversidade e fertilidade do solo e aumento das emissões de CO2 em que

se traduz. Estudos revelam que a transição em terrenos de cultivo para a produção de

bioenergia irá causar uma diminuição de 85% na biodiversidade até 2020 (European

Environmental Agency, 2013b).

Outro impacto negativo prende-se com o facto de uma grande quantidade de

culturas energéticas implicar altas exigências hídricas, conduzindo ao aumento da procura

de água, quer a partir de irrigação ou por fontes naturais (Allen et al., 2014).

Entre as culturas convencionais anuais, as de cereais (centeio e cevada) e

girassóis têm habitualmente um melhor perfil ambiental. Às culturas de trigo, milho,

batata, beterraba e à colza é-lhes atribuída a responsabilidade de um maior impacto


24 2015

ambiental negativo. Assim, é habitual que culturas com o propósito de produção de

biocombustíveis na maioria das regiões, apresentem elevada necessidade de nutrientes

variando de acordo com os países e as respetivas práticas agrícolas (European

Environmental Agency, 2013b).

Em meados de 2013, os países com maiores impactos ambientais no cultivo de

biomassa para a produção de energia eram a Alemanha e França, onde a sua produção e

respetiva área apresentou um descomedido aumento nos últimos 10 anos. Na UE a

produção de colza aumentou em 93% entre 2000 e 2009 de acordo com o Eurostat. Os

principais países a contribuir para esse aumento foram a Alemanha, Roménia, Hungria,

todos os países bálticos, Polónia, Eslováquia, Irlanda e Suécia” (European Environmental

Agency, 2013b).

Entretanto, Sims et al. (2006) afirmaram que as emissões líquidas de carbono

provenientes da geração de uma unidade de bioenergia são entre 10 a 20 vezes mais baixas

que as emissões de geração a partir de combustíveis fósseis. Além disso, a energia fóssil

consumida na produção de condutores bioenergéticos constitui uma pequena fração da

produção total de energia. O rácio (saída/entrada) de energia na maioria das culturas

energéticas anuais, como milho e trigo, varia entre 2 e 18, contrastando com o que se

verifica em espécies perenes, como miscanthus ou cana-de-açúcar, em que o rácio é de 30

e 50 respetivamente (Nassi et al., 2010).

Outra vantagem passa pela melhoria das paisagens e possibilidade de novos

habitats de vida selvagem (International Energy Agency, 2007). A despovoação, o

aumento de emprego nas zonas rurais e a possibilidade de uma renda adicional para os

agricultores tornam a introdução de culturas energéticas não-alimentares desejáveis

(Ferreira et al., 2009; Nassi et al., 2010).

2.4. Culturas energéticas lignocelulósicas

A biomassa lignocelulósica é a biomassa vegetal proveniente de resíduos

agrícolas ou culturas energéticas lenhosas, constituída por polímeros de celulose,

hemicelulose e lignina.

Embora em meados de 2011, a área de cultivo que visava a produção de

bioenergia fosse pouco significativa, o seu potencial futuro com culturas energéticas

lenhosas pode tornar-se considerável por diversas razões:

ESTADO DA ARTE


Ainda que os resíduos lignocelulósicos provenientes de setores florestais sejam uma

opção prioritária devido ao baixo custo na geração de calor e energia em diversas

tecnologias de conversão, as culturas energéticas lignocelulósicas garantem a

disponibilidade de biomassa local o ano todo;

Desde madeira, a resíduos secos e celulósicos, a biomassa lignocelulósica é uma

matéria-prima na produção de biocombustíveis de segunda geração e dentro dos

próximos 10 anos espera-se que estes tipos de tecnologias se tornem mais económicas,

promovendo a sua potencialidade comercial;

Culturas lignocelulósicas apresentam geralmente maior eficiência na mitigação dos

GEE que as culturas arvenses rotacionais, pois exigem menores requisitos de entrada

apresentando maior rendimento energético por hectare. A maioria das culturas

lignocelulósicas necessita de inferiores condições de qualidade do solo em

comparação com as culturas arvenses de rotação, obtendo rendimentos aceitáveis

mesmo em terras de baixa produtividade (Panoutsou et al., 2011).

2.4.1. Choupo

O choupo (género populus) é uma árvore de tronco caracteristicamente alto e

direito, folha caduca e pode atingir cerca de 30 metros de altura. O seu habitat natural é em

solos húmidos, férteis e profundos, próximo das margens de cursos de água, sendo oriundo

de regiões de clima temperado e frio do Hemisfério Norte (Santos, 2009; Intelligent

Energy Europe, 2009).

Ainda que tolerante a uma ampla gama de condições de solo, o choupo é pouco

tolerante a altos teores de metais pesados no solo, solos mal drenados, adequando-se

melhor ao clima mediterrânico, pela sua grande sensibilidade a geadas (Venendaal et al.,

1997; Intelligent Energy Europe, 2009).

É apontado por alguns autores como uma das culturas energéticas lenhosas de

curta rotação mais promissoras em clima temperado devido ao seu elevado rendimento,

rápido crescimento, técnicas de sequenciamento de genoma e da transformação disponível,

que possibilitam uma melhoria mais rápida das suas características hereditárias e interesse

ecológico em termos de baixas exigências de entrada e manutenção da biodiversidade

(Nassi et al., 2010; Venendaal et al., 1997; Yuan et al., 2008). Cultivado como plantação


26 2015

de curta rotação, com colheitas em intervalos muito curtos (1-5 anos), as produções

biomássicas obtidas são muito variáveis (Nassi et al., 2010).

Estudos de produtividade do choupo

Na Alemanha, na década de 90, o choupo foi testado em diferentes tipos de

solo, concluindo-se que o seu cultivo era mais adequado em terras agrícolas antigas do que

em terras outrora florestadas. Foram registados rendimentos na primeira rotação entre 3 e

30 t/ (há × ano) de matéria seca, com uma média esperada entre 10 a 15 t/ (há × ano). Em

Itália, dois clones de choupo sob irrigação obtiveram rendimentos superiores, com valores

entre 15 e 20 t/ (há × ano) de matéria seca (Venendaal et al., 1997).

Em 1999, uma média de produção de 8 t/ (há × ano) de matéria seca em solos

férteis do Norte e Centro da Europa foram registados para CLCR. No entanto, para as

mesmas regiões, valores superiores entre 10 e 15 t/ (há × ano) foram registados para

cultivo intensivo e em excelentes condições de gestão. O valor de produção de 10 t/ (há ×

ano) é indicado como o valor padrão em cultivo intensivo para que o produtor consiga

obter um retorno admissível (Patrício et al., 2013).

Em 2010, no sul da Europa diferentes intervalos de colheita (1, 2 e 3 anos) da

CLCR de choupo, foram avaliados num ciclo de produção de 12 anos. Foi registada uma

elevada eficiência energética, tendo sido o intervalo de colheita de 3 anos o mais rentável,

com menores exigências de entrada incluindo menores consumos de energia não renovável.

Foi concluído que CLCR de choupo com um ciclo de produção de 12 anos e um ciclo de

corte de 3 anos pode contribuir para a sustentabilidade agronómica e ambiental devido ao

seu alto rendimento, eficiência energética e influência positiva sobre a fertilidade do solo e

sobre o meio ambiente, dada a baixa necessidade de nutrientes e de pesticidas (Nassi et al.,

2010).

Outros investigadores têm revelado balanços energéticos positivos em que os

rácios energéticos (output/input) de CLCR do choupo variam entre 20 e 55, dependendo

das condições de crescimento e dos inputs e tendo em conta fronteiras para o sistema

(Nassi et al., 2010).

2.4.2. Eucalipto

O eucalipto (género eucalyptus) é originário da Austrália e é uma espécie de

folhosas com troncos aprumados e esguios (45 a 60 metros de altura), de rápido

ESTADO DA ARTE


crescimento, elevada produção, elevada absorção de água e nutrientes do solo. Apresenta

uma alta tolerância a ambientes adversos sendo facilmente adaptável a secas, fogos,

resistência a insetos, tolerância à acidez e baixa fertilidade do solo. Contudo, não é

tolerante a longos períodos de geada e requer uma quantidade mínima de água, obtendo

maiores rendimentos em solos com abundancia hídrica, não compactos e com elevado teor

de cálcio. Por conseguinte, em Portugal os eucaliptais são abundantes na zona litoral,

principalmente na região centro (Lima et al., 1998; Rockwood et al., 2008).

Particularmente na sua cultura intensiva, diversos são os impactos negativos do

eucalipto nos recursos hídricos, solo e biodiversidade. Eucaliptais industriais substituem as

espécies nativas e esta competição de uso do solo origina uma elevada probabilidade de

serem eliminados habitats de espécies raras e ameaçadas em prol do cultivo do eucalipto

(Albuquerque, 2009). No que concerne à absorção da água dos solos por parte do

eucalipto, esta depende do volume pluviométrico da região de cultivo: em casos de

reduzida precipitação, o eucalipto recorre à água armazenada nas camadas superficiais do

solo. No entanto, vários estudos indicam que o eucalipto é uma das espécies com maior

eficiência de produção de biomassa visto que, por litro de água consumido, produz maior

quantidade de biomassa que outras culturas (Vital, 2007). Relativamente ao impacto no

solo, o eucalipto devolve ao solo quase tudo o que dele absorve. Após a colheita,

permanecem no local as cascas e folhas que contêm cerca de 70% dos nutrientes totais da

planta e se incorporam no solo como matéria orgânica. Além da reposição de nutrientes,

verificam-se outros efeitos benéficos sobre diversas propriedades do solo, como

capacidade de armazenamento de água, drenagem e aeração (Conselho de Informações

sobre Biotecnologia, 2008; Vital, 2007).

Estudos de produção do eucalipto

Contrariamente a outras espécies florestais, o eucalipto apresenta uma rápida

capacidade de produção biomássica ao longo de todo o ano, no entanto, existe a

possibilidade de diminuição do seu crescimento no Inverno (Santos, 2009).

Ainda que o seu cultivo origine impactos negativos, nos últimos anos tem sido

vista como uma espécie de potencial produto energético, sendo cultivada como cultura

lenhosa de curta rotação de forma a maximizar a sua produtividade. O seu cultivo tem-se

intensificado nos últimos anos, nomeadamente em países tropicais nos quais rotações tao


28 2015

curtas quanto 5 anos originaram rendimentos tão elevados como 70 m3/ha/ano (Rockwood

et al., 2008).

Também em regiões de clima mediterrânico, como Portugal, o eucalipto,

nomeadamente o Eucalyptus globulus é a espécie que mais interesse tem suscitado devido

aos diferentes benefícios que acarreta o seu cultivo, ocupando em 2010 uma área que

correspondia a 26% da área florestal do país. Ainda que em Portugal seja maioritariamente

usado como matéria-prima de pasta de papel, o seu elevado rendimento anual pode ser

decisivo para o sector energético. (Pinto et al., 2013; Santos 2009).

Registaram-se distintas produções de biomassa no território nacional. A

diferença deve-se à pluviosidade anual que a cada 100mm adicionais aumenta a

produtividade em cerca de 0,9 t/ (há × ano). Foi registada uma produtividade de 17,6 t/ (há

× ano), 9,5 t/ (há × ano) e 6,1 t/ (há × ano) na região Norte Litoral, Centro Litoral e Região

Vale do Tejo, respetivamente (Santos, 2009).

No instituto superior de agronomia de Lisboa, estacas enraizadas de eucalipto

foram usadas como espécies de referência para um estudo de avaliação de produtividade

biomássica. O eucalipto foi apontado como a segunda espécie com maior produção,

alcançando rendimentos de apenas 1 e 3,5 t/ha após 1 e 2 anos de cultivo sob irrigação,

sendo que, em condições de ausência hídrica, a espécie não sobreviveu após o primeiro

ano. Os rendimentos foram provavelmente reduzidos devido ao alto PH do solo e presença

de carbonato de cálcio ativo no solo (Carneiro et al., 2014).

Alguns autores mencionam rendimentos de 7,5 t/ (há × ano) de matéria seca,

no entanto, são referidas produções superiores de 11 a 14 t/ (há × ano) de matéria seca em

culturas de rotação de três anos e 20 odt/ (há × ano) em culturas de rotação de dois anos na

Grécia (Santos, 2009; Venendaal et al., 1997). Apesar do Conselho de Informações sobre

Biotecnologia (2008) afirmar que o eucalipto não necessita de grandes quantidades de

produtos químicos no seu desenvolvimento, sendo suficiente a ação de organismos vivos

no controlo de pragas e o uso de medidas de manipulação integradas, são vários os fatores

que afetam a produtividade do eucalipto, como as condições hídricas, as condições de

fertilização e o tempo dos ciclos de rotação (Venendaal et al., 1997).

ESTADO DA ARTE


2.4.3. Acácias

A acácia é oriunda das zonas subtropicais e tropicais da Austrália, África, Ásia

e América. Com cerca de 500 exemplares de espécies, as folhas da acácia podem ser

compostas ou filodiada e com flores amarelas (Folha Viva, 2004).

As acácias são, na sua maioria, espécies resistentes ao frio e apresentam grande

adaptabilidade a solos calcários. Introduzida em Portugal com fins ornamentais e

posteriormente utilizada como espécie florestal de auxílio na fixação do solo, algumas

espécies de acácia rapidamente se tornaram subespontâneas e, actualmente, algumas detêm

o estatuto de invasoras (Fernandes et al. 2013; Folha Viva, 2004).

A acácia-mimosa (A. dealbata) é presumivelmente a espécie invasora mais

agressiva no território nacional estando presente em todas a regiões do país com maior

ocupação nos terrenos frescos, como vales e margens de cursos de água. A sua expansão

ocorre particularmente após a ocorrência de incêndios florestais e/ou perturbações no solo,

visto que a sua germinação é beneficiada por estes acontecimentos (Albuquerque, 2009;

Carneiro et al., 2014).

Uma espécie é considerada invasora quando tem a capacidade de originar

populações reprodutoras em elevado número, afastadas da planta primitiva e a um ritmo

elevado, independentemente das perturbações que possam ocorrer no meio que as rodeia,

apresentando grande adaptabilidade ao stresse. No caso destas espécies, a sua expansão não

está ao alcance do domínio do homem e, ao formarem densos povoamentos, dificultam o

crescimento da vegetação nativa, eliminando espécies já existentes na área envolvente.

Para além da diminuição da biodiversidade, a acácia-mimosa é responsável pelo aumento

da erosão do solo e diminuição do fluxo dos cursos de água. Assim, a introdução da

espécie está proibida no território nacional de acordo com a legislação portuguesa

(Albuquerque 2009; Marchante et al., 2014; Carneiro et al., 2014).

O controlo de espécies invasoras pode ser realizado com recurso a meios

químicos (aplicação de herbicidas), após a aplicação dos meios mecânicos (corte da planta

rente ao solo). Ainda que a técnica de controlo cause efeitos prejudiciais aos ecossistemas,

é considerada uma estratégia eficiente a aplicar na flora que se pretende eliminar,

nomeadamente na acácia-mimosa (Albuquerque 2009; Fernandes et al., 2013).


30 2015

Estudos de produção da acácia

Foi realizado um estudo em Portugal para avaliação de espécies lenhosas, bem

adaptadas às secas do Verão, como potenciais culturas energéticas, tendo sido analisadas

três espécies de acácias: A. melanoxylon, A. pycnantha e A. dealbata. A espécie que

apresentou maior produção de biomassa foi a A. pycnantha. A acácia-mimosa apresentou

baixo crescimento, baixa sobrevivência e reduzida produção de biomassa mesmo sob

condições de irrigação. Os resultados foram inesperados tendo em consideração o forte

caracter invasivo da acácia-mimosa nos ecossistemas portugueses, ainda que alguns fatores

significativos, como relações simbióticas com bactérias fixadoras de nitrogénio, não

tenham sido considerados, influenciando presumivelmente a baixa produção de biomassa

verificada. Os resultados sugerem também que a capacidade de crescimento desta espécie

invasora esteja parcialmente relacionada com a germinação facilitada pela passagem de um

fogo e/ou perturbações no solo, bem como pelo armazenamento de quantidades

significativas de sementes no solo a longo prazo, condições que não se verificaram no

estudo (Carneiro et al., 2014).

MATERIAIS E METODOS


3. MATERIAIS E METODOS

3.1. Amostragem

No âmbito de estudo, foram usados dois grupos de amostras (Figura 3.1). O

primeiro grupo é constituído por amostras de referência, nomeadamente pellets (de uso

doméstico) e biomassa florestal residual. A sua seleção deve-se ao facto de serem

considerados como a fonte de biomassa mais usada para produção de bioenergia em

escalas doméstica (pellets) e industrial (biomassa residual). Os pellets foram recolhidos de

um saco comercial (15kg) enquanto a biomassa florestal residual, resultante de exploração

florestal em eucaliptal (Eucalyptus globulus), foi colhida de um parque de recolha de

biomassa em Penela.

O segundo grupo de amostras é representado por espécies potencialmente

cultivadas para produção de energia: choupo (Populus alba), eucalipto (Eucalyptus

globulus) e acácia (Acacia dealbata). As amostras foram recolhidas em março e colocadas

ao ar livre durante um mês visando a perda de humidade. Após a secagem, as amostras

foram trituradas numa trituradora laboratorial (Retsch-Mühle) usando a grelha de 1cm.

As amostras de pellets e choupo representam a biomassa lenhosa de melhor

qualidade comparativamente com as amostras de biomassa florestal residual, de eucalipto e

da acácia devido a ausência de resíduos de folhagem. Os pellets de uso doméstico são

fabricados a partir de biomassa lenhosa de alta qualidade (em Potugal, madeira de Pinus

pinaster) enquanto o choupo, espécie de folha caduca, foi recolhido na ausência de

resíduos de folhagem sendo apenas constituído por biomassa lenhosa.


32 2015

(a) (b) (c)

(d) (e)

Figura 3.1: Amostras recolhidas de choupo (a), eucalipto (b) e acácia (c); Amostras trituradas para combustão de choupo, eucalipto e acácia (d), pellets e biomassa residual (e)

Antes da realização dos testes, foi identificado o teor de humidade (%) das

amostras. De cada uma das espécies amostrada, 50 gramas foram colocadas na estufa

durante 24h a 105ºC.

O teor de humidade em base seca (𝑀𝑏.𝑠.) expressa a massa de água presente em

relação à massa da madeira seca e é calculado com base na equação (Francescato et al.,

2009):

𝑀𝑏.𝑠. =𝑚𝑖 − 𝑚𝑓

𝑚𝑓 × 100% (3.1)

O teor de humidade em base húmida (𝑀𝑏.ℎ.) expressa a massa de água presente

em relação à massa de madeira húmida. Esta medida é geralmente utilizada na

comercialização de combustíveis de madeira. É calculado pela expressão (Francescato et

al., 2009):

MATERIAIS E METODOS


𝑀𝑏.ℎ. =𝑚𝑖 − 𝑚𝑓

𝑚𝑖 × 100% (3.2)

Ambas as equações têm em conta os valores da massa inicial (𝑚𝑖) e massa final

(𝑚𝑓) da amostra e na Tabela 3.1 são apresentados os resultados do teor de humidade em

base seca e base húmida das amostras de acácia, eucalipto e choupo.

Tabela 3.1: Teor de humidade (%) das três espécies em estudo

Amostras 𝑴𝒃.𝒔. 𝑴𝒃.𝒉.

Acácia 13.83 12.15

Eucalipto 27.24 21.41

Choupo 13.91 12.21

Apesar de ter sido aplicado o mesmo procedimento na preparação das amostras,

verificaram-se diferentes teores de humidade para as espécies estudadas, o que se deve à

forma como espécies diferentes reagem à secagem. Apurou-se que o valor de teor de

humidade em base seca mais elevado corresponde ao eucalipto, com um valor de 27,24%,

praticamente o dobro do teor de humidade do choupo e acácia que apresentaram valores

semelhantes entre si, 13.91% e 13.83% respetivamente.

3.2. Testes no calorímetro cónico

Os testes de inflamabilidade no calorímetro cónico foram realizados de acordo

com a norma ISO 5660-1. Este teste visa a determinação da variação da massa de

diferentes amostras de biomassa ao longo da combustão, verificando igualmente o tempo

que demora a iniciar-se a ignição. O calorímetro cónico utilizado é composto por uma

resistência elétrica posicionada debaixo de um cone metálico que fornece calor à amostra

durante o ensaio, sendo o fluxo de calor de aproximadamente 16 KW/m2. O suporte para a

amostra encontra-se conetado a uma balança eletrónica com resolução de 0,01gramas que

regista os dados a cada 0,38 segundos e os exporta para suporte informático. Para facilitar a

ignição da amostra recorreu-se a uma chama-piloto e o tempo de ignição foi medido


34 2015

manualmente, com recurso a um cronómetro, tendo a contagem sido iniciada aquando a

aproximação da chama-piloto.

3.3. Determinação da quantidade e composição química das cinzas

A análise qualitativa da composição química das cinzas (metais) foi realizada

apenas para as amostras de pellets e biomassa residual florestal de eucalipto. O

procedimento foi realizado no Departamento de Física da Universidade de Coimbra com

recurso à fluorescente-X-ray analisador SEA6000VX. Os testes foram realizados com duas

voltagens (15KV e 50KV), uma vez que nem todos os elementos químicos presentes nas

cinzas seriam identificáveis num baixo nível de radiação.

RESULTADOS E DISCUSSÃO


4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1. Resultados dos testes no calorímetro cónico

4.1.1. Taxa de perda de massa

Para cada variedade de amostra foram realizadas três réplicas do ensaio, de

modo a garantir a validade dos resultados, com exceção da amostra do choupo que contou

com apenas dois ensaios devido à falta de material. Em todos os ensaios as amostras dos

cinco tipos de biomassa continham 50 gramas. Os pellets e a biomassa residual florestal

eram de granulometria 3 < d ≤ 6mm, sendo d o diâmetro de partícula. Os gráficos

representativos dos resultados obtidos expõem uma massa inicial entre 190 e 200 g dado

que o peso do suporte das amostras foi tido em conta.

Os tempos de ignição registados nos ensaios do calorímetro cónico para as

amostras de pellets, biomassa residual, eucalipto, acácia e choupo são indicados na Tabela

4.1.

Tabela 4.1: Tempos de ignição

Os pellets iniciaram a sua ignição consideravelmente mais tarde do que as

restantes amostras. Na análise dos valores apresentados na Tabela 4.1 é necessário ter em

Amostra Tempo ignição

[seg]

Tempo médio ignição

[seg]

Pellets

98,73

100,05 101,05

100,36

Biomassa residual florestal

(eucalipto)

23,02

23,19 23,78

22,76

Eucalipto

24,95

24,34 23,75

24,31

Acácia

26,7

26,33 23,88

28,41

Choupo 22,65

22,56 22,47


36 2015

conta os valores de humidade (Tabela 3.1) que foram mais elevados para as amostras de

eucalipto (27.24%) comparativamente com as amostras de choupo e acácia. Assim sendo,

assume-se que, caso as três espécies apresentassem valores semelhantes de teor de

humidade, o tempo de ignição para as amostras de eucalipto seria consideravelmente

inferior aos tempos de ignição do choupo e acácia.

Os gráficos da Figura 4.1 apresentam as curvas de perda de massa das amostras

de biomassa residual florestal de eucalipto e pellets (a), eucalipto, acácia e choupo (b).

(a) (b)

Figura 4.1: Evolução das curvas de perda de massa

No que concerne ao gráfico (a), a fase inicial de combustão, correspondente à

secagem, é curta para as amostras de biomassa residual florestal de eucalipto e

notavelmente mais prolongada para as amostras de pellets. Após a ignição, aos 23

segundos na biomassa residual florestal, inicia-se uma perda de massa acentuada até ao

final da combustão em chama. Já nas amostras de pellets, após a ignição ao 100º segundo,

a curva de perda de massa apresenta um declive muito acentuado e a fase de combustão em

chama finaliza-se com menor valor de massa comparativamente às amostras de biomassa

residual. De acordo com os resultados do gráfico (b), as três amostras em estudo

demonstram um comportamento idêntico na fase inicial da combustão, contudo, verifica-se

uma perda de massa ligeiramente mais acentuada nas amostras de choupo e acácia. Após a

extinção da chama, as três espécies apresentam semelhantes valores de massa.



O gráfico da Figura 4.2 apresenta as curvas de perda de massa (valores médios)

das amostras de eucalipto, acácia, choupo, biomassa residual florestal e pellets.

Figura 4.2: Evolução das curvas de perda de massa (valores médios) ao longo da combustão

Os pellets apresentam diferente comportamento comparativamente às restantes

amostras: têm uma fase de secagem consideravelmente mais longa e, por conseguinte, um

tempo de ignição mais demorado devido à sua elevada densidade, prolongando a fase de

evaporação de água e iniciando a significativa perda de massa mais tarde e de forma

repentina. Relativamente ao fim do processo de combustão, a acácia e o choupo

apresentam menor duração do ensaio.

O gráfico da Figura 4.3 apresenta os valores médios da taxa de variação de

massa ao longo da combustão para as cinco amostras em estudo.

Figura 4.3: Taxa de variação de massa (média) ao longo da combustão


38 2015

A amostra de pellets atinge o pico da taxa de variação de massa após uma

longa fase de secagem. As restantes amostras, com fases de secagem mais curtas, atingem

o pico da taxa de variação de massa mais cedo. O pico da amostra de pellets é o mais

acentuado, o que corresponde a uma intensa libertação de calor. A acácia é a amostra com

o segundo maior valor do pico. Após alcançarem o valor máximo da taxa de variação de

massa, as amostras de choupo, eucalipto, acácia e biomassa residual apresentam uma perda

de massa mais lenta, o que pode corresponder a uma libertação de calor mais uniforme e

menos intensa.

4.1.2. Taxa de libertação de calor e energia total libertada

Com os valores das taxas de perda de massa ( m ) verificadas nos testes de

calorímetro cónico, e PCI calculados através dos dados retirados de bibliografia, obtém-se

a taxa de libertação de calor (HRR – Heat Release Rate) das amostras em estudo de acordo

com a seguinte equação (Bryant e Mulholland, 2008):

HRR m PCI (4.1)

A taxa de libertação de calor representa o calor libertado por unidade de tempo.

Os valores do PCI [J/g] foram calculados com base na equação (4.2 (CEN/TS 14918, 2005)

tendo em conta o valor do PCS [J/g], a humidade da amostra em base seca (M) e o teor de

H, O e N em base seca mássica: w(H)s, w(O)s, e w(N)s.

A Tabela 4.2 apresenta os parâmetros anteriormente mencionados para as

amostras de biomassa residual florestal de eucalipto, pellets, eucalipto, acácia e choupo que

permitiram o cálculo do PCI:

𝑃𝐶𝐼 = [𝑃𝐶𝑆 − 212,2 ∗ 𝑤(𝐻)𝑠 − 0,8(𝑤(𝑂)𝑠 + 𝑤(𝑁)𝑠)] ∗ (1 − 0,01 ∗ 𝑀) − 24,43 ∗ 𝑀 (4.2)



Tabela 4.2: Dados para o cálculo do valor do PCI

Amostra PCSb.s.

[MJ/kg]

w(H)s

(%)

w(O)s

(%)

w(N)s

(%)

Mb.s.

(%)

PCI

(MJ/kg)

Biomassa residual (eucalipto) 17.6 * 5.8* 47.2* 0.2* 9,69 14.51

Pellets -- -- -- -- -- 18***

Eucalipto 17.6* 5.8* 47.2* 0.2* 27.24 11.21

Acácia 19.3** 5.7* 46.2* 0.2* 13.83 15.21

Choupo 18.8* 6.0* 45.4* 0.2* 13.91 14.71

Fonte: * Telmo et al. (2010); ** UTAD; *** (Knoef, 2005)

Para os valores do choupo, foram assumidos os valores apresentados para

Populus euro-americana, e os valores da acácia de w(H)s, w(O)s, e w(N)s correspondem

aos valores de espécies de “hardwood nacional”. Para o cálculo do PCI foram adaptados

os valores de PCS da madeira das respectivas espécies, pelo que não ficou reflectida a

presença de folhagem nas amostras de biomassa residual, eucalipto e acácia (Telmo et al.

2010). No caso do eucalipto, a presença de folhagem rica em extractivos pode

eventualmente aumentar o valor do poder calorífico.

Obtido o valor do PCI para cada espécie, é possível verificar a taxa de

libertação de calor de cada amostra a partir do gráfico da Figura 4.4.

Figura 4.4: Taxa de libertação de calor


40 2015

De acordo com a equação (4.1), o gráfico tem um aspeto similar às curvas de

taxa de perda de massa. O pico de HRR está relacionado com o pico de taxa de perda de

massa, e a diferença no posicionamento das curvas de HRR comparativamente às curvas de

perda de massa para as várias amostras pode ser ainda mais acentuada devido aos valores

do PCI.

Relativamente à energia total libertada, foi calculada a partir da seguinte

expressão:

𝑄[J] = ∫ [

−𝑑𝑚

𝑑𝑡∗ 𝑃𝐶𝐼] 𝑑𝑡

𝑡

0

= ∆𝑚 ∗ 𝑃𝐶𝐼 = (𝑚𝑖 − 𝑚𝑓) ∗ 𝑃𝐶𝐼 (4.3)

A Tabela 4.3 indica os valores do PCI, a variação de massa (-Δm) e os valores

da energia total libertada calculada com base na equação (4.3) por kg de amostra (Q

[MJ/kg]).

Tabela 4.3: Energia total libertada

Amostra PCI [MJ/kg] -Δm [kg] Q [MJ/kg]

Biomassa residual (eucalipto) 14.51 0.0408 11.85

Pellets 18 0.0444 15.97

Eucalipto 11.21 0.0411 9.21

Acácia 15.21 0.0415 12.61

Choupo 14.71 0.0424 12.47

O maior valor de energia total libertada verificou-se para a amostra de pellets

(15.97 MJ/kg) e o menor para amostra de eucalipto (9.21 MJ/kg). Os valores da Tabela 4.3

confirmam a influência da densificação da biomassa e do teor de humidades na quantidade

de energia total libertada. Quanto maior a densidade da biomassa (amostras de pellets),

maior a energia libertada. Relativamente ao teor de humidade, quanto maior o seu valor

(amostra de eucalipto), menor a energia libertada no decorrer da combustão.



4.2. Resultados dos testes de determinação da quantidade e composição química das cinzas

A quantidade e qualidade de cinza resultante da combustão de biomassa

lignocelulósica são bastante variáveis e dependem de vários fatores tais como: tipo de

biomassa (espécie, composição, idade da planta), processos e condições de crescimento

(uso de fertilizantes e pesticidas, tempo e técnica de colheita e tipo de solo), fração de

biomassa queimada (casca, folhas, madeira), pré-tratamento aplicado, processo de

combustão (tecnologia de combustão e temperatura de combustão) (Horta et al. 2010;

Vassilev et al. 2013a).

Após os ensaios no calorímetro cónico, a massa final das amostras representa

maioritariamente a quantidade de resíduos resultantes da combustão, cujos valores são os

apresentados na Tabela 4.4.

Tabela 4.4: Massa final das amostras em estudo após a combustão

Amostra Eucalipto Acácia Choupo Pellets Biomassa residual

mf (g) 8.94 8.55 7.61 5.62 9.17

Os resultados obtidos vão de encontro ao valores das referências bibliográficas

apresentados anteriormente na Tabela 2.1. Verificou-se que a presença de material lenhoso

de boa qualidade e/ou material residual (folhagem, bicada e ramos), influencia a

quantidade de cinzas. Menor quantidade de cinza corresponde à amostra de pellets,

produzidos a partir de lascas de madeira e/ou serrim de madeira. Ao invés, maior

quantidade de cinza corresponde às espécies folhosas que contêm elevada presença de

resíduos como folhagem, ramos e bicada (tal como a amostra de biomassa residual florestal

de eucalipto), pelo que o seu teor químico terá uma elevada quantidade de elementos

formadores de cinzas, como será verificado posteriormente.

Devido à impossibilidade de identificar e quantificar a composição química das

amostras em estudo, a sua estimativa foi feita com base no estudo de Telmo et al. (2010),

tendo sido adaptados os valores para espécies coníferas e folhosas, em geral, e Pinus

pinaster e Eucalyptus globulus, em particular. A Tabela 4.5 apresenta os valores da

composição química das espécies referidas e a quantidade de cinzas resultantes da sua

combustão. O conhecimento da composição química da biomassa utilizada no processo de


42 2015

combustão é de grande importância, uma vez que determina a composição química de

cinzas.

Tabela 4.5: Composição química (mg/kg base seca) e teor de cinzas (% de peso em base seca) de espécies

folhosas e coníferas, Pinus Pinaster e Eucalyptus globulus

Na K Ca Mg Fe P

Cinzas

(%)

Espécies coníferas 63.67 600.67 55.33 30.67 30.67 27.40 0.3

Pinus pinaster 98.5 492 1 58.5 49 5.7 0.2

Espécies folhosas 166.89 2418.83 539.39 42.17 46.61 432.18 0.6

Eucalyptus

globulus 19.5 3100 106.5 83.5 53 1285.6 0.5

Mn Zn Ni Cr Cd Cu F Cl Br

Espécies coníferas 45.83 21.5 1.4 0.55 0.01 0.44 0.53 27.93 0.03

Pinus pinaster 72 31 1.52 0.46 0.003 0.29 0.9 23 0

Espécies folhosas 66.5 39.4 0.95 0.46 0.04 0.49 1.14 39.68 0

Eucalyptus

globulus 34.5 80 0.32 0.616 0.016 0.44 0.9 11.7 0

Adaptado: Telmo et al. (2010)

A madeira das espécies folhosas apresenta maiores concentrações de Mn, Zn e

Cu e dos principais elementos formadores de cinzas Na, K, Ca, Mg, Fe e P, dando origem a

uma quantidade superior de cinzas comparativamente às espécies coníferas.

Para a mesma espécie, a qualidade do combustível, nomeadamente a

quantidade de material lenhoso, é determinante para o conteúdo químico das cinzas. A

Tabela 4.6 apresenta a relação entre os principais elementos químicos formadores de cinzas

presentes no biocombustível e nas cinzas resultantes da combustão a 550ºC para espécies

coníferas.



Tabela 4.6: Gama de concentração dos principais elementos formadores de cinzas presentes no biocombustível (a) e nas cinzas (b) para espécies coníferas

(a)

(b)

Adaptado: Berndes et al. (2008)

A partir da Tabela 4.6 é possível verificar que a estilha, composta por maior

quantidade de material lenhoso comparativamente com a casca de árvore, contem menor

quantidade de elementos responsáveis pela formação de cinzas.

Os resultados da análise qualitativa da composição química das cinzas

realizada para as amostras de pellets (P1, P2, P3) e biomassa residual florestal de eucalipto

(BR1, BR2, BR3) são apresentados na Tabela 4.7 onde são identificados os elementos

químicos presentes, bem como a intensidade do espectro de cada elemento químico (Acps)

e o nível de energia registado quando o espectro do elemento químico é “visível” (ROI

KeV).

Elementos presentes no

biocombustível [mg/kg] (bs) Estilha (woodchips)

Casca

(abeto)

Silício (Si) 440-2900 2000– 11000

Cálcio (Ca) 2900-7000 7700-18000

Magnésio (Mg) 310-800 960-2400

Potássio (K) 910-1500 1500-3600

Sódio (Na) 20-110 71-530

Fósforo (P) 97-340 380-670

Concentração (%) de elementos

presentes nas cinzas (bs) Estilhas (woodchips)

Casca

(abeto)

Si 4-11 7-17

Ca 26-38 24-36

Mg 2.2-3.6 2.4-5.6

K 4.9-6.3 5-9.9

Na 0.3-0.5 0.5-0.7

P 0.8-1.9 1-1.9


44 2015

Os resultados obtidos são qualitativos, isto é, a intensidade de espectro não

corresponde à quantidade (mg/kg ou % de massa) de determinado elemento químico

presente na amostra de cinzas. Entretanto, a comparação da intensidade do espectro para o

mesmo elemento químico entre amostras diferentes, permite obter conclusões

relativamente à presença quantitativa do elemento nas amostras.

Tabela 4.7: Composição química das cinzas da amostra de pellets e de biomassa residual florestal de

eucalipto a 15KV e 50KV

Voltagem Elementos ROI keV Acps

P1 P2 P3 BR1 BR2 BR3

15KV

Potássio (K) 3.16 - 3.46 10870 12523 9775 15356 19015 18887

Cálcio (Ca) 3.54 - 3.84 37735 43307 37372 32420 43318 46618

Manganês

(Mn) 5.73 - 6.07 3617 3349 3302 3755 2225 2134

Ferro (Fe) 6.23 - 6.57 15471 12270 11720 4470 24032 5204

Crómio (Cr) 5.25 - 5.58 2583 1698 1786

1173 1199

Titânio (Ti) 4.35 - 4.67 1821 1678 1769 985 904 785

Níquel (Ni) 7.29 - 7.65 2981 2807

Magnésio (Mg) 1.12 - 1.39 151 160 153

162

Silício (Si) 1.60 - 1.88 610 715 528

487

Enxofre (S) 2.17 - 2.45 679 736 573 401 489 476

Zinco (Zn) 8.44 - 8.82

5982 3226 4410

Chumbo (Pb) 10.34 - 10.74

4624

Cloro (Cl) 2.48 - 2.77

791 922 866

Cobre (Cu) 7.86 - 8.23

4149 6086

50KV

Potássio 3.16 - 3.46 224 245 222 248 279 266

Cálcio 3.54 - 3.84 420 501 404 400 509 493

Manganês 5.73 - 6.07 80 87 72 69 65 51

Ferro 6.23 - 6.57 491 431 333 85 1450 134

Crómio 5.25 - 5.58 80 61 63

Titânio 4.35 - 4.67 120 121 123

Níquel 7.29 - 7.65 45 28 27

24

Zinco 8.44 - 8.82 98 82 71 78 65 67

Estrôncio (Sr) 13.92 -14.36 522 555 487 367 340 363

Rubídio (Rb) 13.16 -13.59 162

172 151

Chumbo 10.34 -10.74 27 28 158 20 21 20

Cobre 7.86 - 8.23

34 30 27 29 26

Brómio (Br) 11.70 -12.12

33

Nota: P1, P2, P3 - amostras de pellets; BR1,BR2,BR3 amostras de biomassa florestal residual



Da análise da composição química das cinzas é possível identificar alguns dos

elementos químicos maioritariamente responsáveis pela formação nas cinzas (K, Ca, Mg,

Fe, entre outros) bem como alguns dos elementos que habitualmente têm menor presença

na biomassa mas que, ainda assim, contribuem para a formação de cinzas, como por

exemplo o Cr, Ni, Zn e Cu.

As amostras de biomassa residual apresentam intensidades consideravelmente

superiores de K, o que significa que o elemento tem uma presença em quantidades

superiores nas amostras de biomassa residual comparativamente às amostras de pellets. Ao

invés, as amostras de pellets apresentam espectros com intensidades superiores de Fe, Mn,

Ti e Cr. Quanto ao Mg e Si, apresentam espectros com maior intensidade nas amostras de

pellets visto que, nas amostras de biomassa residual, os seus espectros são visíveis apenas

numa das amostras. O Zn, Pb, Cl e Cu nas amostras de pellets e o Ni na amostra de

biomassa residual, não apresentam espectros visíveis a 15KV e expõem espectros com

baixa intensidade a 50KV. Assim, a ausência de espectros indicou quais os elementos

ausentes nas amostras de cinzas.

A presença de K e Cl nas amostras de biomassa florestal residual pode resultar

na formação de cloretos alcalinos, que em contacto com S, também com uma intensidade

considerável na amostra, originará a oxidação/corrosão do equipamento de combustão

devido às reações de sulfatação.

Nos gráficos das Figura 4.5 e Figura 4.6 são apresentados os resultados da

análise da composição química das cinzas para a amostra número 1 de pellets e de

biomassa residual, nas duas voltagens estudadas (15KV e 50KV). Os gráficos das restantes

amostras encontram-se em anexo. O eixo das abcissas representa os valores dos níveis de

energia (KeV) e o eixo das ordenadas a intensidade do espectro do respetivo elemento

químico presente nas cinzas.

A análise de composição química de cinzas provenientes da combustão das

amostras de pellets e de biomassa residual florestal de eucalipto evidencia, mais uma vez, a

importância da qualidade da biomassa. Os resultados obtidos para pellets e biomassa

residual podem ser de certa forma extrapolados para as amostras de choupo, acácia e

eucalipto. Ao contrário das amostras de choupo, compostas somente por material lenhoso,

as amostras de acácia e eucalipto têm grandes quantidades de resíduos de folhagem. Assim

sendo, é de esperar que as cinzas resultantes de combustão de choupo contenham uma


46 2015

menor quantidade de elementos prejudiciais para o ambiente e manutenção do

equipamento de combustão, comparativamente com as cinzas de acácia e eucalipto.

(a)

(b)

Figura 4.5: Composição química das cinzas da amostra nº 1 de pellets a 15KV (a) e 50KV (b)



(c)

(d)

Figura 4.6: Composição química das cinzas da amostra nº 1 de biomassa residual florestal de eucalipto a 15KV (c) e 50KV (d)


48 2015

Temperatura de fusão de cinza

A fusão de cinzas pode iniciar-se a diferentes temperaturas dependendo da

composição da biomassa e das cinzas.

Ca e em certa medida Al e Ti são elementos responsáveis pelo aumento da

temperatura de fusão de cinzas enquanto K, Si, P, S e, ocasionalmente, Fe, Mg e Na

contribuem para a sua diminuição. Como exemplo, a presença numa gama média/alta de K

e Si, origina compostos como SiO2 e K2O que, em determinado rácio, contribuem para a

diminuição da temperatura de fusão das cinzas (Vassilev et al., 2014). Já Berndes et al.

(2008) realçam Ca e Mg como responsáveis pelo aumento da temperatura de fusão das

cinzas e K e Na pela diminuição.

Problemas tecnológicos

Problemas nos equipamentos de combustão, como slagging e corrosão,

dependem de diversos fatores incluindo o tamanho da partícula, a associação e o

comportamento de espécies minerais, as temperaturas ao longo da combustão e

temperaturas de fusão das cinzas (Vassilev et al., 2014).

Biomassa que contenha uma forte presença de elementos com baixa

temperatura de fusão (por exemplo K e Na) irá dar origem ao slagging: derretendo a

temperaturas inferiores à da combustão, os produtos da combustão sofrem uma abrupta

cristalização que dará origem a cinza viscosa, que adere às paredes do equipamento ou se

deposita no seu fundo (Vassilev et al., 2014).

No que concerne à corrosão, alguns dos compostos responsáveis são por

exemplo os cloretos alcalinos: K e Na juntamente com Cl formam cloretos alcalinos e,

quando sulfatados, originam a oxidação e corrosão do material. Uma relação de rácio S:Cl

abaixo de 2 na biomassa é prejudicial devido às reacções anteriormente mencionadas.

Assim, a presença de K e Na no biocombustível é prejudicial a vários níveis

(Francescato et al., 2009; Vassilev et al. 2013b; Berndes et al., 2008). Entretanto, Vassilev

et al. (2013b) afirma que biocombustíveis com reduzidos teores de Cl, Si e cinzas e

elevados teores em Ca, originam slagging incrustações e problemas de corrosão mais

facilmente controláveis.



A Tabela 4.8 resume o efeito causado por determinados elementos químicos na

formação de cinzas e na sua temperatura de fusão, bem como o efeito posterior no

equipamento de combustão e emissões de gases.

Tabela 4.8: Elemento químico presente nas cinzas e respectiva influencia em efeitos causados

Elemento Efeito

Cloro Emissões de HCl, corrosão e diminuição da temperatura de fusão das

cinzas

Nitrogénio Emissões de N2O e NOx

Enxofre Emissões de SOx e corrosão

Flúor Emissões de HF e corrosão

Potássio Corrosão, diminuição da temperatura de fusão das cinzas, formação de

aerossóis

Sódio Corrosão, diminuição da temperatura de fusão das cinzas e formação de

aerossóis

Magnésio Aumento da temperatura fusão das cinzas

Cálcio Aumento da temperatura de ponto de fusão de cinzas

Metais pesados Emissões e formação de aerossóis

Adaptado: Berndes et al. (2008)


50 2015

CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS


5. CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS

Foram estudadas três espécies, nomeadamente, a acácia, o eucalipto e o

choupo, tendo em vista a potencialidade do seu cultivo para os fins energéticos. A

produção de bioenergia recorrendo ao processo de combustão direta foi enfatizada neste

trabalho. As amostras de pellets e de biomassa florestal residual de eucalipto foram

amostras de referência na análise de parâmetros da combustão e da quantidade de resíduos

da combustão.

Relativamente aos testes no calorímetro cónico, a amostra de pellets (biomassa

densificada) apresentou maior variação de perda de massa após a ignição e maior valor da

energia total libertada (cerca de 15,97 MJ/kg). . O menor valor de energia libertada

correspondeu à amostra de eucalipto (9,21 MJ/kg).

Da análise da quantidade de cinzas resultantes do processo de combustão

concluiu-se que os pellets apresentaram o menor valor de massa final ao invés do

verificado na biomassa residual florestal de eucalipto que apresentou o maior valor de

massa final entre as cinco amostras em estudo. Os resultados vieram confirmar que a

biomassa que contém maior quantidade de resíduos de folhagem na sua constituição (o

caso das amostras de biomassa florestal residual, acácia e eucalipto) origina maior

quantidade de cinzas comparativamente com a biomassa que apresenta maior presença de

material lenhoso na sua constituição (pellets e choupo).

Nos resultados dos testes XRF, nas amostras de cinzas resultantes da

combustão foram identificados diversos elementos químicos (Fe, Ca, K, Mg, Cl, Si, entre

outros) importantes na formação de cinzas e na posterior manutenção dos equipamentos de

combustão, bem como alguns dos elementos químicos com menor presença na biomassa

mas também com influencia na formação de cinzas (Cu, Cr, Zn, Ni, entre outros) sendo

responsáveis maioritariamente pelos efeitos negativos causados no meio ambiente. A

comparação da intensidade dos espectros para as amostras de pellets e biomassa residual

florestal de eucalipto permite concluir que os pellets têm maior quantidade de Mn, Fe, Cr,

Ti e menor quantidade de K. A ausência de espectros indicou os elementos que não

aparecem nas amostras de cinzas.


52 2015

Ainda que não tenham sido analisadas as composições químicas das cinzas

para todas as amostras, os resultados podem ser extrapolados: a amostra de pellets

composta maioritariamente por material lenhoso, tal como a amostra de choupo, contem

menor quantidade de elementos prejudiciais à manutenção dos equipamentos de

combustão. Ao invés, a biomassa residual de eucalipto, com significativas quantidades de

folhagem tal como as amostras de eucalipto e acácia, contem elementos propícios a

originar problemas de slagging e corrosão nos equipamentos de combustão.

Finalizado o trabalho proposto, conclui-se que o tipo de biomassa das espécies

de culturas energéticas (devido à sua composição química e bioquímica) influencia a

quantidade e a qualidade de cinzas. Relativamente às espécies lenhosas estudadas, a

presença de folhagem pode piorar a qualidade do combustível, em termos de poderes

caloríficos, quantidade e qualidade de cinzas, o que se traduz nos efeitos a nível ambiental

e na manutenção dos equipamentos de combustão.

No que concerne a trabalhos futuros, é importante descobrir que plantas

produzem maiores quantidades de energia, tendo também em conta os impactos ambientais

significativos, e chegar a conclusões sobre as várias espécies e os seus produtos finais.

Algumas culturas energéticas levantam questões sobre a competitividade do uso de terras

entre culturas energéticas e culturas com fins alimentares, o que pode ter implicações na

segurança alimentar. No entanto, se algumas das culturas energéticas de cereais,

oleaginosas e culturas de amido e açúcar vão priorizar a sua produção visando produção de

energia ignorando a necessidade alimentar, o mesmo não se verifica nas culturas

lignocelulósicas uma vez que não apresentam carater alimentar. Também o cultivo das

culturas lignocelulósicas é mais “amigo” do ambiente. É então, de extrema importância que

as culturas energéticas lignocelulósicas sejam desenvolvidas em vários aspetos, desde a

plantação até á sua colheita. A seleção de espécies adequadas ao tipo de solo, condições

climáticas da região (e suas variações ao longo do ano) e os métodos de cultivo são

cruciais para otimizar as culturas de biomassa dedicadas de uma forma integrada e

sustentável, visando maximizar os benefícios ambientais e minimizar os possíveis impactos

negativos.

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58 2015

ANEXOS


ANEXOS

(a)

(b)

Anexo 1: Composição química das cinzas da 2ª réplica da amostra de pellets a 15KV (a) e 50KV (b)


60 2015

(c)

(d)

Anexo 2: Composição química das cinzas da 3ª réplica da amostra de pellets a 15KV (c) e 50KV (d)

ANEXOS


(e)

(f)

Anexo 3: Composição química das cinzas da 2ª réplica da amostra de biomassa residual florestal de

eucalipto a 15KV (e) e 50KV (f)


62 2015

(g)

(h)

Anexo 4: Composição química das cinzas da 3ª réplica da amostra de biomassa residual florestal de

eucalipto a 15KV (g) e 50KV (h)

Documents

Culturas energéticas: produção de biomassa e bioenergia. · bioenergia. Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia do Ambiente Autor Ana Luísa